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,


  

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。

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。

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

などとなる。

mとして,実験してみた。

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)

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