同一形式の単シリンダ機械が$3$台,一列に等間隔に並んでおり,$3$つのクランクは互いに$120^\circ$の角度をなし,クランク半径$20\,\rm{cm}$の共通クランク軸を回転させる.
各機関の回転質量は$m_1=m_2=m_3=100\,\rm{kg}$であるとして,これら回転質量よる慣性力をつりあわせるため,$A$,$B$の位置で半径$30\,\rm{cm}$のところにつりあいおもり$M_A$,$M_B$をつけてつりあわせる.
$M_A$,$M_B$,$\theta_A$,$\theta_B$を求めよ.
%=image:/media/2015/01/15/142125638825024700.png:
解答例・解説
\[
\left\{\begin{array}{cccc}
m_1=m_2=m_3=100\,\rm{kg} \\
r_1=r_2=r_3=20\,\rm{cm} \\
\theta_1=0^\circ, \ \theta_2=120^\circ, \ \theta_3=240^\circ\\
r=30\,\rm{cm}
\end{array}\right.
\]
力のつりあい
\[
\Sigma mr\omega^2 = 0
\]
\[
100\,\rm{kg} \times 20 \,\rm{cm} \times \omega^2 \times (\cos0^\circ + \cos120^\circ + \cos240^\circ)+30\,\rm{cm} \times\omega^2 \times (M_A \cos\theta_A+M_B\cos\theta_B)=0
\\
100 \times 20 \times \left(1-\frac{1}{2}-\frac{1}{2}\right)+30\left( M_A\cos\theta_A+M_B\cos\theta_B \right)=0
\]
\[
\therefore
M_A\cos\theta_A+M_B\cos\theta_B=0 \
\longrightarrow M_B\cos\theta_B=-M_A\cos\theta_A
\]
\[
100\,\rm{kg} \times 20 \,\rm{cm} \times \omega^2 \times (\sin0^\circ + \sin120^\circ + \sin240^\circ)+30\,\rm{cm} \times\omega^2 \times (M_A \sin\theta_A+M_B\sin\theta_B)=0
\\
100 \times 20 \times \left(0+\frac{\sqrt3}{2}-\frac{\sqrt3}{2}\right)+30\left( M_A\sin\theta_A+M_B\sin\theta_B \right)=0
\]
\[
\therefore
M_A\sin\theta_A+M_B\sin\theta_B=0 \
\longrightarrow M_B\sin\theta_B=-M_A\sin\theta_A
\]
モーメントのつりあい
\[
100\,\rm{kg} \times 20\,\rm{cm}\times \omega^2 \times
\left( -20\,\rm{cm} \times \cos0^\circ +20\,\rm{cm} \times \cos120^\circ +60\,\rm{cm} \times \cos240^\circ \right)\\
+M_B \times 30\,\rm{cm} \times \omega^2 \times 40\,\rm{cm} \times \ \cos\theta_B=0 \\
\]
\[\begin{align}
M_B \cos\theta_B
&=\frac{-100 \times 20 \times \left( -20-20 \times\frac{1}{2} -60\times \frac{1}{2} \right)}{30 \times 40} \\
&=100\,\rm{kg}
\end{align}
\]
\[
100\,\rm{kg} \times 20\,\rm{cm}\times \omega^2 \times
\left( -20\,\rm{cm} \times \sin0^\circ +20\,\rm{cm} \times \sin120^\circ +60\,\rm{cm} \times \sin240^\circ \right)\\
+M_B \times 30\,\rm{cm} \times \omega^2 \times 40\,\rm{cm} \times \sin\theta_B=0 \\
\]
\[\begin{align}
M_B\sin\theta_B
&=\frac{-100 \times 20 \times \left( -0+20 \times\frac{\sqrt3}{2} -60\times \frac{\sqrt3}{2} \right)}{30 \times 40} \\
&=57.73\,\rm{kg}
\end{align}
\]
以上より
\[
\begin{align}
M_B
&=\sqrt{\left( M_B \cos\theta_B \right)^2+ \left( M_B \sin\theta_B \right)^2 } \\
&=\sqrt{\left( 100\,\rm{kg} \right)^2+ \left( 57.73\,\rm{kg} \right)^2 } \\
&=115.4\,\rm{kg} \\
\\
&=\sqrt{\left( -M_A \cos\theta_A \right)^2+ \left( -M_A \sin\theta_A \right)^2 } \\
&=M_A
\end{align}
\]
\[
\therefore
M_A = M_B = 115\,\rm{kg}
\]
\[
\frac{M_B\sin\theta_B}{M_B\cos\theta_B}=\tan\theta_B \ より \\
\theta_B= \tan^{-1}\left( \frac{57.73\,\rm{kg}}{100\,\rm{kg}}\right) =29.99^\circ \\
\\
\]
\[
\therefore
\theta_B=30.0^\circ \\
\]
\[
\frac{M_B\sin\theta_B}{M_B\cos\theta_B} = \frac{-M_A\sin\theta_A}{-M_A\cos\theta_A} \ より \\
\theta_A=29.99^\circ +180^\circ = 209.9^\circ
\]
\[
\therefore
\theta_A=210^\circ
\]