斜面を転がり下りる速さ
大道仮説実験「ころりん」でも話題を呼んだ,斜面上の転がり運動の本質。
すべりのない(エネルギー散逸のない)剛体の転がりについて考察しよう。
球,円盤,輪など軸対称の剛体について,質量を
,半径を
とすると,慣性モーメントは
と書ける。ただし,
は形状によって定まる無次元定数である。この剛体が,軸まわりの角速度
,速さ
で斜面を転がり下りているときの運動エネルギーは,
球,円盤,輪など軸対称の剛体について,質量を
となる。つまり,運動エネルギーは
の比で重心の運動エネルギーと重心まわりの回転の運動エネルギーとに配分されるわけである。したがって,
が小さいほど,すなわち慣性モーメントが小さく転がりやすいほど,同じ高さでの速さは大きくなることになる。また,重力による位置エネルギーも質量
に比例するから,力学的エネルギー保存によって,同じ高さでの速さは
および
に依存せず,形状によって決まる因子
のみによって定まる。
斜面の傾角
とすると,初速ゼロから斜面上を距離
だけ転がり下りた後の速さ
として,
したがって,
となる。
したがって,
となる。
斜面上を初速ゼロで距離
だけ転がり下りるのに要する時間は,
となる。ここに,
は,摩擦なくすべり下りるときの所要時間である。
となる。ここに,
は,摩擦なくすべり下りるときの所要時間である。
たとえば,傾角30°の斜面を1m下りる時間と末端速度は,
摩擦なし(
) :0.639 sec.,3.13m/s
球 (
) :0.756 sec. ,2.65m/s
円盤 (
) :0.782 sec. ,2.56m/s
輪 (
) :0.904 sec. ,2.21m/s
球 (
円盤 (
輪 (
などとなる。
球(スーパーボール) 1.5 sec. (理論値 1.51)
円筒(単1乾電池) 1.6 sec. (理論値 1.56)
輪(幅広セロテープ) 1.8 sec. (理論値 1.81)
(缶コーヒー空き缶) 1.8 sec.
球殻
(ソフトテニスボール)1.7 sec. (理論値 1.65)
円筒(単1乾電池) 1.6 sec. (理論値 1.56)
輪(幅広セロテープ) 1.8 sec. (理論値 1.81)
(缶コーヒー空き缶) 1.8 sec.
球殻
(ソフトテニスボール)1.7 sec. (理論値 1.65)
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