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、z z z 軸を鉛直上向きとする直交座標系 ( x , y , z ) (x,y,z) ( x , y , z ) と円筒座標系 ( r , θ , z ) (r,\theta,z) ( r , θ , z ) において、x = r cos θ x=r\cos\theta x = r cos θ 、y = r sin θ y=r\sin\theta y = r sin θ の関係がある。θ \theta θ を一定とする平面上の曲線 z = f ( r ) z=f(r) z = f ( r ) において、f ( r ) f(r) f ( r ) は単調増加かつ滑らかな関数であり、f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 、f ( a ) = b f(a)=b f ( a ) = b (a , b > 0 a,b>0 a , b > 0 )、0 < d f / d r < ∞ 0<df/dr<\infty 0 < df / d r < ∞ を満たすものとする。この曲線を z z z 軸回りに回転して得られる回転面の内側に沿って質量 m m m 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 g g g とする。
(1) 質点が z z z 座標を一定とする半径 r r r の円周上を一定の速さ v v v で運動するとき、質点に回転面から働く抗力の大きさ N N N と、質点の位置における回転面の r r r 方向の傾き d z / d r dz/dr d z / d r を求めなさい。
(2) 小問 (1) において、質点の速さ v v v は円運動の半径 r r r に比例するものとする。このときの f ( r ) 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) ( r , θ , 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 , z r,\theta,z r , θ , 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 = 0 z=0 z = 0 において 0 0 0 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) ( r , θ , z ) とするとき、質点の原点 O のまわりの角運動量の z z z 成分から、r 2 θ ˙ r^2\dot\theta r 2 θ ˙ 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) z = f ( r ) のときに、質点の初期位置を円筒座標系で表して ( r 0 , 0 , z 0 ) (r_0,0,z_0) ( r 0 , 0 , z 0 ) とし、質点の初期速度を水平方向に速さ v 0 v_0 v 0 で与えるとき、質点は z z z 座標を一定とする半径 r 0 r_0 r 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 v 1 v_1 v 1 (< v 0 <v_0 < v 0 )に変えたとき、その後の質点の運動における z z z 座標の最小値を求めなさい。
题目描述
问题1(使用红色答题纸)
如图,以 O 为原点、z z z 轴竖直向上,在直角坐标系 ( x , y , z ) (x,y,z) ( x , y , z ) 与圆柱坐标系 ( r , θ , z ) (r,\theta,z) ( r , θ , z ) 之间有 x = r cos θ x=r\cos\theta x = r cos θ 、y = r sin θ y=r\sin\theta y = r sin θ 。在 θ \theta θ 恒定的平面上考虑曲线 z = f ( r ) z=f(r) z = f ( r ) ,其中 f ( r ) f(r) f ( r ) 单调递增且光滑,满足 f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 、f ( a ) = b f(a)=b f ( a ) = b (a , b > 0 a,b>0 a , b > 0 )以及 0 < d f / d r < ∞ 0<df/dr<\infty 0 < df / d r < ∞ 。将该曲线绕 z z z 轴旋转得到旋转曲面,质量为 m m m 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 g g g 。回答下列问题。
(1) 当质点在 z z z 坐标恒定、半径为 r r r 的圆周上以恒定速率 v v v 运动时,求曲面对质点的支持力大小 N N N ,以及质点所在位置曲面沿 r r r 方向的斜率 d z / d r dz/dr d z / d r 。
(2) 在 (1) 中,假定质点速率 v v v 与圆周运动半径 r r r 成正比。求此时的 f ( r ) f(r) f ( r ) 。
(3) 以圆柱坐标 ( r , θ , z ) (r,\theta,z) ( r , θ , z ) 表示质点位置,用 r , θ , z r,\theta,z r , θ , z 及其时间导数表示质点的动能和势能。以 z = 0 z=0 z = 0 处的势能为 0 0 0 。
(4) 以圆柱坐标 ( r , θ , z ) (r,\theta,z) ( r , θ , z ) 表示质点位置,从质点绕 O 点的角动量的 z z z 分量出发,证明 r 2 θ ˙ r^2\dot\theta r 2 θ ˙ 为常数。
(5) 对于 (2) 所得的曲面 z = f ( r ) z=f(r) z = f ( r ) ,设质点初始位置为 ( r 0 , 0 , z 0 ) (r_0,0,z_0) ( r 0 , 0 , z 0 ) ,沿水平方向赋予速率为 v 0 v_0 v 0 的初速度时,质点将作 z z z 坐标恒定、半径为 r 0 r_0 r 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 v 1 v_1 v 1 (< v 0 <v_0 < v 0 ),求随后运动中 z z z 坐标的最小值。
Kai
(1)
曲面の接線と水平面のなす角を ϕ \phi ϕ とすると、tan ϕ = d z / d r \tan\phi=dz/dr tan ϕ = d z / d r である。抗力の鉛直・半径方向成分から
N cos ϕ = m g , N sin ϕ = m v 2 r . N\cos\phi=mg,\qquad N\sin\phi=\frac{mv^2}{r}. N cos ϕ = m g , N sin ϕ = r m v 2 .
よって
N = m g 2 + v 4 r 2 , d z d r = v 2 g r . \boxed{N=m\sqrt{g^2+\frac{v^4}{r^2}}},\qquad
\boxed{\frac{dz}{dr}=\frac{v^2}{gr}}. N = m g 2 + r 2 v 4 , d r d z = g r v 2 .
(2)
v = c r v=cr v = cr とおくと、f ′ ( r ) = c 2 r / g f'(r)=c^2r/g f ′ ( r ) = c 2 r / g 。f ( 0 ) = 0 f(0)=0 f ( 0 ) = 0 と f ( a ) = b f(a)=b f ( a ) = b を使って
f ( r ) = c 2 r 2 2 g , c 2 = 2 g b a 2 . f(r)=\frac{c^2r^2}{2g},\qquad c^2=\frac{2gb}{a^2}. f ( r ) = 2 g c 2 r 2 , c 2 = a 2 2 g b .
従って
f ( r ) = b a 2 r 2 . \boxed{f(r)=\frac{b}{a^2}r^2}. f ( r ) = a 2 b r 2 .
(3)
x ˙ 2 + y ˙ 2 = r ˙ 2 + r 2 θ ˙ 2 \dot x^2+\dot y^2=\dot r^2+r^2\dot\theta^2 x ˙ 2 + y ˙ 2 = r ˙ 2 + r 2 θ ˙ 2 なので
T = m 2 ( r ˙ 2 + r 2 θ ˙ 2 + z ˙ 2 ) , U = m g z . \boxed{T=\frac m2(\dot r^2+r^2\dot\theta^2+\dot z^2)},
\qquad \boxed{U=mgz}. T = 2 m ( r ˙ 2 + r 2 θ ˙ 2 + z ˙ 2 ) , U = m g z .
(4)
角運動量の z z z 成分は
L z = m ( x y ˙ − y x ˙ ) = m r 2 θ ˙ . L_z=m(x\dot y-y\dot x)=mr^2\dot\theta. L z = m ( x y ˙ − y x ˙ ) = m r 2 θ ˙ .
重力と面の法線抗力はいずれも z z z 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 L ˙ z = 0 、すなわち
r 2 θ ˙ = 一定 . \boxed{r^2\dot\theta=\text{一定}}. r 2 θ ˙ = 一定 .
(5)
円運動の条件から
v 0 2 = g r 0 f ′ ( r 0 ) = 2 g b a 2 r 0 2 = 2 g z 0 . v_0^2=gr_0f'(r_0)=\frac{2gb}{a^2}r_0^2=2gz_0. v 0 2 = g r 0 f ′ ( r 0 ) = a 2 2 g b r 0 2 = 2 g z 0 .
初速 v 1 v_1 v 1 の場合、角運動量保存より r 2 θ ˙ = r 0 v 1 r^2\dot\theta=r_0v_1 r 2 θ ˙ = r 0 v 1 。また r 2 / r 0 2 = z / z 0 r^2/r_0^2=z/z_0 r 2 / r 0 2 = z / z 0 だから
r 2 θ ˙ 2 = v 1 2 z 0 z . r^2\dot\theta^2=\frac{v_1^2z_0}{z}. r 2 θ ˙ 2 = z v 1 2 z 0 .
高さの極値では r ˙ = z ˙ = 0 \dot r=\dot z=0 r ˙ = z ˙ = 0 となるため、エネルギー保存は
1 2 m v 1 2 + m g z 0 = 1 2 m v 1 2 z 0 z + m g z . \frac12mv_1^2+mgz_0
=\frac12m\frac{v_1^2z_0}{z}+mgz. 2 1 m v 1 2 + m g z 0 = 2 1 m z v 1 2 z 0 + m g z .
整理すると
( z − z 0 ) ( 2 g z − v 1 2 ) = 0. (z-z_0)(2gz-v_1^2)=0. ( z − z 0 ) ( 2 g z − v 1 2 ) = 0.
v 1 2 < v 0 2 = 2 g z 0 v_1^2<v_0^2=2gz_0 v 1 2 < v 0 2 = 2 g z 0 より、初期高度 z 0 z_0 z 0 は最大値、他方が最小値となる。したがって
z min = v 1 2 2 g = z 0 ( v 1 v 0 ) 2 . \boxed{z_{\min}=\frac{v_1^2}{2g}
=z_0\left(\frac{v_1}{v_0}\right)^2}. z m i n = 2 g v 1 2 = z 0 ( v 0 v 1 ) 2 .
v 1 = 0 v_1=0 v 1 = 0 の場合も、質点が底 z = 0 z=0 z = 0 に達するので同じ式となる。