• ベストアンサー

運動方程式

速度に比例する抵抗を受けて物体が落下するとき、鉛直上方にz軸をとり、質量はm、重力加速度は-g、粘性抵抗はf=-kdz/dt=-mkdz/dtで与えられるとします。 また初期条件をt=0でz=0、v=dz/dt=0とすると、この物体の運動(運動方程式)はどうなりますか?

質問者が選んだベストアンサー

  • ベストアンサー
  • First_Noel
  • ベストアンサー率31% (508/1597)
回答No.1

右辺は,重力は↓,粘性抵抗は↑,左辺は例の如くm(d2z/dt2). 斉次形の2階微分方程式の解き方を参照されるか, ラプラス変換で代数方程式にした後に逆ラプラスして求めます. ある時点で速度が一定になるでしょう.

その他の回答 (1)

  • KENZOU
  • ベストアンサー率54% (241/444)
回答No.2

どんな力学の教科書にも載っている問題ですね。まずテキストをよく調べてから質問しましょう(^-)。 運動方程式はFirst_Noelさんの言われているとおりで md/dt(dz/dt)=mg-k(dz/dt) (1) となります。符合はよく考えてみましょう。 v=dz/dt (2) とおくと(1)は1階線形微分方程式となります。 dv/dt+(k/m)v=g (3) この一般解は、適当な微分方程式のテキストを参照して v=exp(-∫(k/m)dt)[∫gexp(∫(k/m)dt)dt+C] (4) となります(←書き方がややこしいので必ずテキストで確認すること)。この積分は容易にできますね。積分定数Cは初期条件より決めます。以上、TRYしてみてください。

関連するQ&A

  • 加速度aを用いない運動方程式なんですが…

    とりあえず解いたのですが自信がありません! どうか知恵を貸してください!! 物体が気体中を落下するときの抵抗を F=kV と表すときの問題なのですが… ●物体の質量をm、重力加速度をgで、落下速度Vのときの運動方程式を求めたいです!! 自分が考えた式は以下のとおりです。 普通に運動方程式を立てると、 ma=mg-kV となりました。 問題にはaを用いるとは記述がないのでVをtで微分したもの、つまりa=dV/dtとしました。 ここからがよく分からないのですが、友人は「瞬間の速さだからdt=1とおけて、a=dVになるんだ。」といいました。 そして運動方程式にa=dVを代入すると m・dV=mg-kVとなり、Vで積分するとaのない運動方程式 m・V=mgV-(1/2)・kV” (”は二乗です。)が得られました。 じっさい、この式で正しいといえるのでしょうか? これをミスると他の問題も芋づる式にミスってしまいますので結構重要なんです。 よろしくお願いします!!

  • 高校・大学の物理(力学)教えてください。

    ma=mg-bv (a:加速度 b:定数 g:重力加速度 v:速さ m:質量) という運動方程式がかける状態があったとして(つまり、質量mの物体が落下しつつ、速さに比例する抵抗力を受けている場合です)、これをx=f(t)の形に直すにはどうすればよいのでしょうか? 位置xの一回微分と二回微分がでてくる微分方程式は初めてでわかりません。

  • 空気抵抗が速度の自乗に比例する場合の運動方程式

    自然落下する物体があり、その物体のt秒後の速度は速度が遅いうち(空気抵抗が速度に比例している時)は      m・dv/dt=mg-kv  mは物体の質量、gは重力加速度、kは空気抵抗定数。 という運動方程式を解いて   v=[mg-exp{-k(t+C)/m}]・1/k という一般解を得ます。(Cは積分定数) ここまではできるのですが、この先の空気抵抗が速度の二乗に比例するばあいの運動方程式    m・dv/dt=mg-kv^2 を解くことができないのです。解こうとしてもどうしても、途中で    -log|mg-kv^2/C|/2kv=t/m  という形になってしまい解くことができません。logの中にvが含まれていて、さらにlogの外にvのある形をv=の形に直せません。強引にv=の形に直せますが、両辺にvが現れてしまい解いたことになりません。 どうすればいいのでしょうか? 余談ではありますが、A=xlogx のx=への変形のしかたや、B=exp(x)+x のx=への変形のしかたを教えてくれると幸いです。

  • 質点

    速さに比例した抵抗を受けながら重力のもとで落下する質点の運動方程式 m質量 g重力加速度 k比例定数 v速度 t時間として m(dv/dt)=-mg-kv と解答したのですが あっているでしょうか?

  • 次の運動方程式をたてよ (終端速度) 教えてください(;;)

    重力と、速度に比例する抵抗力を受けて鉛直方向に運動する質量mの質点がある。 1.鉛直上方にz軸を取る時 2.鉛直下方にz軸を取る時 速度の2乗に比例する場合 3.鉛直上方にz軸を取る時 4.鉛直下方にz軸を取る時 別に課題やレポートってわけではないのですが、ずうーと前から気になってたんで教えてください。 例えば1は ..      ・ mz=-mg-kz  (1)なのか ..      ・ mz=-mg+kz  (2)なのか分かりません。 (1)とすると終端速度は-となって正しいのです、だから、zの1回微分はマイナスだから、これで正しいのかなって思ったら、じゃぁ、速度の2乗に比例する場合はどうあがいても+となる!??なんか授業ノートと違うとなって・・・ とにかく、どちらを正の方向と取るかで、どう考えてよいのか分からなくなって混乱してしまいます(;;) どうか1.2.3.4.の運動方程式を教えてださい

  • 空気中の物体の落下

    空気の抵抗がある場合の、物体の落下速度を微分方程式で求めるさい、変数の変換がわからないので質問します。 運動速度がそれほど大きくないか、物体の大きさがそれほど大きくないときは、抵抗力はスピードに比例することが知られている。そこで質量mの物体を自由落下させ、時刻tにおける速度を下向きにvとしよう。この物体に働く力は、下向きの重力mgと、上向きの抵抗力kv(kは比例定数)である。よって、ニュートンの運動方程式 力=質量*加速度 により、mg-kv=m(dv/dt)・・・(1)という微分方程式がなりたつ。(1)を解いてみよう。変形して、 -k{v-(m/k)g}=m(dv/dt)そこでv-(m/k)g=u・・・(2)とおくと、ここがわからないところです。m(du/dt)=-kuになるのですが、なぜdv/dtがdu/dtになっているかが、あいまいです。自分では(2)の(m/k)gが定数で、両辺をtで微分すると左辺がdv/dt、 右辺が(d/dt)u=(d/du)u(du/dt)=1*(du/dt)なので、dv/dt=du/dtだと思いました。自分の考えが間違っていたら、訂正をおねがいします。

  • ロケットの運動方程式

    シンプルなロケットの運動方程式の問題です。 燃焼ガス(速さu)を噴射しているロケットがある。 ロケット本体の質量は噴射したガスの質量分だけ減少する。 また、ロケットの速度をv、重力加速度をg、ロケットの重さをmとした時、このロケットの運動方程式を求めよ。 という問題です。 運動量の観点から解くことは何となく分かるのですが、 運動の前後の運動量保存の式を書くと、 mv = Δmu + (m - Δm)v' (v':噴射後のロケットの速度) となって、また、v'-v=Δv 、m-Δm ≒ m ←(Δmは微少量なので) としてみて、これらの式から、m(dv/dt)を求めて 運動方程式 d(mv)/dt = m(dv/dt) + v(dm/dt) = -mg  に代入してみたのですが 、違った答えになってしまいます。 因みに正解は、m(dv/dt) + u(dm/dt) = -mg  です。 何故でしょうか? 教えてください。 よろしくお願い致します。

  • ばねの運動

    大学で基礎力学を履修しているものです。 今、重心のところを習っているんですが、次の問題がわかりません。 「自然長l、ばね定数kのばねの下端に質量m1の物体A、上端に質量m2の物体Bをとりつける。物体Bを支えた状態から静かに離して自由落下させたときの運動を考える。鉛直下向きにZ軸をとり、物体A,BのZ座標をそれぞれz1,z2とする。時刻T=0における物体Bの位置を原点とする。重力加速度の大きさをgとして次の問いに答えよ。 (1)T=0における物体の位置を求めよ (2)物体A,Bの運動方程式をそれぞれ書き下せ (3)重心座標の運動方程式を求め、これをといて重心座標を時刻Tの関数としてあらわせ (4)相対座標の運動方程式を求め、これをといて相対座標の運動方程式を時刻Tの関数として表せ という問題です。 (1)はわかるんですが、(2)、(3)、(4)がわからないです。 (2)は、考えてみたところ、m1a=m1-k(l-z1) m2a=(m1+m2)gーk(l-z1)となりました(a=d^2x/dt^2)

  • 運動方程式

    運動方程式の作り方を教えてください。 加速度が力の大きさFに比例し、物体の質量mに反比例する。これを式で表すと a=K1 F, a=K2 1/m ↓これらから a=K F/m どうやったら F/mになるのでしょうか? 高校2年生です。 よろしくお願いします。

  • 運動方程式

    角度θのなめらかな斜面の下端に質量mの物体を置き、斜面上向きに初速度v0をあたえた。重力加速度はgとする。 1.物体の斜面にそう方向の運動方程式を求めよ 2.運動方程式を解いて一般解を求めよ 3.初期条件から特解を求め、物体の位置xと時間tの関係を表す式を求めよ 4.物体が到達する最高点の高さHと、最高点に達するまでにかかる時間を求めよ という問題があるのですが上に上がる場合どうなうのかわかりません。 わかるかた解凍お願いします。