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大阪大学 工学研究科 機械工学専攻 2017年8月実施 力学 問題1

Author​

祭音Myyura (refined with GPT 6 Astra)

Description​

問題1(解答用紙:赤)

図のように、原点を O とし、zz 軸を鉛直上向きとする直交座標系 (x,y,z)(x,y,z) と円筒座標系 (r,θ,z)(r,\theta,z) において、x=rcos⁡θx=r\cos\theta、y=rsin⁡θy=r\sin\theta の関係がある。θ\theta を一定とする平面上の曲線 z=f(r)z=f(r) において、f(r)f(r) は単調増加かつ滑らかな関数であり、f(0)=0f(0)=0、f(a)=bf(a)=b(a,b>0a,b>0)、0<df/dr<∞0<df/dr<\infty を満たすものとする。この曲線を zz 軸回りに回転して得られる回転面の内側に沿って質量 mm の質点が運動する場合を考える。質点と回転面との間に摩擦力は働かないものとして、以下の問いに答えなさい。ただし、重力加速度の大きさを gg とする。

(1) 質点が zz 座標を一定とする半径 rr の円周上を一定の速さ vv で運動するとき、質点に回転面から働く抗力の大きさ NN と、質点の位置における回転面の rr 方向の傾き dz/drdz/dr を求めなさい。

(2) 小問 (1) において、質点の速さ vv は円運動の半径 rr に比例するものとする。このときの f(r)f(r) を求めなさい。

(3) 質点の位置を円筒座標系で表して (r,θ,z)(r,\theta,z) とするとき、質点の運動エネルギーと位置エネルギーを r,θ,zr,\theta,z およびそれらの時間微分を用いて表しなさい。ただし、質点の位置エネルギーは z=0z=0 において 00 とする。

(4) 質点の位置を円筒座標系で表して (r,θ,z)(r,\theta,z) とするとき、質点の原点 O のまわりの角運動量の zz 成分から、r2θ˙r^2\dot\theta が一定値となることを示しなさい。

(5) 小問 (2) の z=f(r)z=f(r) のときに、質点の初期位置を円筒座標系で表して (r0,0,z0)(r_0,0,z_0) とし、質点の初期速度を水平方向に速さ v0v_0 で与えるとき、質点は zz 座標を一定とする半径 r0r_0 の円運動を行うものとする。質点の初期位置が同じで、質点の初期速度を水平方向に速さ v1v_1(<v0<v_0)に変えたとき、その後の質点の運動における zz 座標の最小値を求めなさい。

原題の図

题目描述​

问题1(使用红色答题纸)

如图,以 O 为原点、zz 轴竖直向上,在直角坐标系 (x,y,z)(x,y,z) 与圆柱坐标系 (r,θ,z)(r,\theta,z) 之间有 x=rcos⁡θx=r\cos\theta、y=rsin⁡θy=r\sin\theta。在 θ\theta 恒定的平面上考虑曲线 z=f(r)z=f(r),其中 f(r)f(r) 单调递增且光滑,满足 f(0)=0f(0)=0、f(a)=bf(a)=b(a,b>0a,b>0)以及 0<df/dr<∞0<df/dr<\infty。将该曲线绕 zz 轴旋转得到旋转曲面,质量为 mm 的质点沿其内侧运动。假定质点与曲面之间没有摩擦,重力加速度大小为 gg。回答下列问题。

(1) 当质点在 zz 坐标恒定、半径为 rr 的圆周上以恒定速率 vv 运动时,求曲面对质点的支持力大小 NN,以及质点所在位置曲面沿 rr 方向的斜率 dz/drdz/dr。

(2) 在 (1) 中,假定质点速率 vv 与圆周运动半径 rr 成正比。求此时的 f(r)f(r)。

(3) 以圆柱坐标 (r,θ,z)(r,\theta,z) 表示质点位置,用 r,θ,zr,\theta,z 及其时间导数表示质点的动能和势能。以 z=0z=0 处的势能为 00。

(4) 以圆柱坐标 (r,θ,z)(r,\theta,z) 表示质点位置,从质点绕 O 点的角动量的 zz 分量出发,证明 r2θ˙r^2\dot\theta 为常数。

(5) 对于 (2) 所得的曲面 z=f(r)z=f(r),设质点初始位置为 (r0,0,z0)(r_0,0,z_0),沿水平方向赋予速率为 v0v_0 的初速度时,质点将作 zz 坐标恒定、半径为 r0r_0 的圆周运动。若保持相同初始位置,将水平方向的初速率改为 v1v_1(<v0<v_0),求随后运动中 zz 坐标的最小值。

Kai​

(1)​

曲面の接線と水平面のなす角を ϕ\phi とすると、tan⁡ϕ=dz/dr\tan\phi=dz/dr である。抗力の鉛直・半径方向成分から

Ncos⁡ϕ=mg,Nsin⁡ϕ=mv2r.N\cos\phi=mg,\qquad N\sin\phi=\frac{mv^2}{r}.

よって

N=mg2+v4r2,dzdr=v2gr.\boxed{N=m\sqrt{g^2+\frac{v^4}{r^2}}},\qquad \boxed{\frac{dz}{dr}=\frac{v^2}{gr}}.

(2)​

v=crv=cr とおくと、f′(r)=c2r/gf'(r)=c^2r/g。f(0)=0f(0)=0 と f(a)=bf(a)=b を使って

f(r)=c2r22g,c2=2gba2.f(r)=\frac{c^2r^2}{2g},\qquad c^2=\frac{2gb}{a^2}.

従って

f(r)=ba2r2.\boxed{f(r)=\frac{b}{a^2}r^2}.

(3)​

x˙2+y˙2=r˙2+r2θ˙2\dot x^2+\dot y^2=\dot r^2+r^2\dot\theta^2 なので

T=m2(r˙2+r2θ˙2+z˙2),U=mgz.\boxed{T=\frac m2(\dot r^2+r^2\dot\theta^2+\dot z^2)}, \qquad \boxed{U=mgz}.

(4)​

角運動量の zz 成分は

Lz=m(xy˙−yx˙)=mr2θ˙.L_z=m(x\dot y-y\dot x)=mr^2\dot\theta.

重力と面の法線抗力はいずれも zz 軸まわりのモーメントを持たない。従って L˙z=0\dot L_z=0、すなわち

r2θ˙=一定.\boxed{r^2\dot\theta=\text{一定}}.

(5)​

円運動の条件から

v02=gr0f′(r0)=2gba2r02=2gz0.v_0^2=gr_0f'(r_0)=\frac{2gb}{a^2}r_0^2=2gz_0.

初速 v1v_1 の場合、角運動量保存より r2θ˙=r0v1r^2\dot\theta=r_0v_1。また r2/r02=z/z0r^2/r_0^2=z/z_0 だから

r2θ˙2=v12z0z.r^2\dot\theta^2=\frac{v_1^2z_0}{z}.

高さの極値では r˙=z˙=0\dot r=\dot z=0 となるため、エネルギー保存は

12mv12+mgz0=12mv12z0z+mgz.\frac12mv_1^2+mgz_0 =\frac12m\frac{v_1^2z_0}{z}+mgz.

整理すると

(z−z0)(2gz−v12)=0.(z-z_0)(2gz-v_1^2)=0.

v12<v02=2gz0v_1^2<v_0^2=2gz_0 より、初期高度 z0z_0 は最大値、他方が最小値となる。したがって

zmin⁡=v122g=z0(v1v0)2.\boxed{z_{\min}=\frac{v_1^2}{2g} =z_0\left(\frac{v_1}{v_0}\right)^2}.

v1=0v_1=0 の場合も、質点が底 z=0z=0 に達するので同じ式となる。