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斜面での落下

注意:うまくアニメーションが作れないとき

パラメターの値が固定されている場合、うまくアニメーションが作れないときがあります.パラメーターをリセットしてもう一度、トライしてください.

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台が固定されている場合

滑り落ちる距離x[t]は

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であるから、物体の位置{X, Y}は原点をx0滑り落ちたところとすれば、

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となる.したがって、例えば、

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台が滑らかな床に置かれている場合

摩擦のない斜面(水平線とのなす角度をθとする)をもつを質量Mの物体Aと、その斜面を滑り落ちる質量mの物体Bとの運動を考察しよう.物体Bの滑り落ちた距離をx とし、物体Aの重心の水平軸座標をZとする.物体Aと床との摩擦はないものとする.

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まず、次の記号の値を消しておく.

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物体Aから物体Bにかかる抗力をR, 物体Bの座標を{X, Y}, 物体Aの座標を{Z, 0}とするとニュートンの第二法則より

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の3式が得られる.また、物体Bは物体Aの上に存在するから(constraint condition, 束縛条件)、

( X[t] - Z[t] ) Tan[θ] == Y[t]

でなければならない.運動方程式からRを消去する.

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今度は束縛条件から

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であることに注意してY"を消去する.

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従って、初期条件を次のように仮定して微分方程式を解く.

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解が求まったのでX, Zの定義を行う.

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従ってYは

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となる.運動量を計算すると

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となり水平方向の線運動量が保存されていることがわかる.エネルギー(運動エネルギーと位置エネルギーの和)はどうか?

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となり時間によらない.値はt=0のときのエネルギー値である.求めた解が正しいものであることが上の計算により確かめられた.最後に、もしmが大きければ上と同じ解をえるはずである.例えば、

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より滑り落ちた距離xは

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すなわち、

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となり(物理的考察より符号を選んだ)同じであることがわかる.

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以下は上に挿入したdynamic gifを作成したときの手順

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Spikey Created with Wolfram Mathematica 9.0