図1のように,一定の速さ v で走る台車の上に地面からの高さ h の位置で棒が水平に固定されている。棒は右端及び右端からの長さ l の位置 P に集中質量を持つ棒とする(l>h)。棒が点 P において折れ,点 P のまわりに回転して床に落ちるとき,折れた棒 AB の運動を考える。棒 AB は右端点 A,左端点 B にそれぞれ質量 ma,mb の質点を持ち,質点間の質量は無視できるとする。また,重力加速度は g とする。空気抵抗は考えなくてよい。
1:棒 AB は点 P を支点にして回転しながら落ちていく(図2,鉛直方向の初期速度 0)。このとき,右端点 A が地面と衝突するまでの棒 AB の運動を考える。以下の問いに答えよ。
(1a) 棒 AB の点 P 周りの慣性モーメントを求めよ。
(1b) 棒 AB が折れ始めた瞬間の点 P の絶対座標系での位置を原点とする座標系(鉛直上向きを y 軸の正方向とする右手系)において棒 AB の両端点 A,B の位置 rA,rB と速度 vA,vB を示し,棒 AB の運動エネルギー T,ポテンシャルエネルギー U を求めよ。ただし,棒 AB が鉛直線となす角度 θ,及び時間 t を変数とする。また,ポテンシャルエネルギーは点 P を基準点とする。
(1c) 棒 AB の運動方程式を求めよ。ただし,ラグランジアンは Λ を用いて表せ。
2:右端点 A が点 Q において地面に衝突し(図3),左端点 B が点 P から外れ,棒 AB が衝突点 Q を支点にして回転を始めた(図4)。地面との衝突は完全非弾性衝突であり,衝突の直後から左端点 B のまわりに外力は働かないものとする。このとき以下の問いに答えよ。
(2a) 衝突する直前の棒 AB の点 Q まわりの角運動量を L− とする。衝突直前の棒 AB の角度を θ0 としたとき,L− を求めよ。なお,L− は θ0 を用いない形で表せ。
(2b) 衝突後の棒 AB の鉛直線からの角度を ϕ とし,衝突直後の角度を ϕ=ϕ0 とする。また,衝突直後の棒 AB の角速度を ω0 とする。衝突直後の棒 AB の点 Q 周りの角運動量を L+ としたとき,L+ を ω0 を用いて表せ。さらに,角運動量保存則を用いて ω0 を求め,l,v,h を用いて表せ。
(2c) 床との衝突後,少しして左端点 B が地面に衝突した。左端点 B が点 P から外れた時刻を t=0 としたとき,左端点 B が初めて床と衝突するまでの時間を求めよ。ただし,ϕ0 は π/2 付近とし,sinϕ≅1 と近似してよい。
如图1,在以恒定速度 v 行驶的小车上,距地面高度 h 处水平固定一根杆。杆的右端及距右端长度 l 的位置 P 处具有集中质量(l>h)。当杆在 P 点折断、绕 P 点旋转并落向地面时,考虑折断部分 AB 的运动。杆 AB 的右端点 A、左端点 B 分别具有质量为 ma,mb 的质点,质点之间的杆质量可忽略。重力加速度为 g,不考虑空气阻力。
1:杆 AB 以 P 点为支点,一边旋转一边落下(图2,竖直方向的初速度为 0)。考虑右端点 A 与地面碰撞之前杆 AB 的运动,回答下列问题。
(1a) 求杆 AB 绕 P 点的转动惯量。
(1b) 以杆 AB 开始折断瞬间 P 点在绝对坐标系中的位置为原点,建立竖直向上为 y 轴正方向的右手坐标系。写出杆两端点 A,B 的位置 rA,rB 与速度 vA,vB,并求杆 AB 的动能 T 与势能 U。以杆与铅垂线的夹角 θ 及时间 t 为变量,势能以 P 点为基准。
(1c) 求杆 AB 的运动方程。用 Λ 表示拉格朗日量。
2:右端点 A 在 Q 点与地面碰撞(图3),左端点 B 脱离 P 点,杆 AB 开始以碰撞点 Q 为支点旋转(图4)。与地面的碰撞为完全非弹性碰撞,并假设自碰撞刚结束起,左端点 B 周围没有外力作用。回答下列问题。