プリンキピア

第3章直線上の運動

Summaryまとめ

  • Kinematics is the description of motion without considering its causes. In this chapter, it is limited to motion along a straight line, called one-dimensional motion.
    英語のヒント
    運動学は、運動の原因を考えずに運動を記述するものである。本章では、1次元運動と呼ばれる直線に沿った運動に限って扱う。
  • Displacement is the change in position of an object. The SI unit for displacement is the meter. Displacement has direction as well as magnitude.
    英語のヒント
    変位は、物体の位置の変化である。SI単位はメートルである。変位は大きさだけでなく、方向も持つ。
  • Distance traveled is the total length of the path traveled between two positions.
    英語のヒント
    移動距離は、二つの位置の間を進んだ経路の全長である。
  • Time is measured in terms of change. The time between two position points x1 and x2 is Δt=t2−t1. Elapsed time for an event is Δt=tf−t0, where tf is the final time and t0 is the initial time. The initial time is often taken to be zero.
    英語のヒント
    時間は変化を基に測る。二つの位置x1とx2の間の時間はΔt=t2−t1である。ある出来事の経過時間はΔt=tf−t0であり、tfは最後の時刻、t0は最初の時刻である。最初の時刻は、しばしば0とする。
  • Average velocity v– is defined as displacement divided by elapsed time. If x1,t1 and x2,t2 are two position time points, the average velocity between these points is
    英語のヒント
    平均速度v–は、変位を経過時間で割ったものと定義される。位置と時刻の二点がx1,t1とx2,t2なら、その間の平均速度は次のようになる。
    v–=ΔxΔt=x2−x1t2−t1.

Conceptual Questions概念を確かめる問題

Exercises 1–6練習問題 1–6
Exercise 1問題 1
Give an example in which there are clear distinctions among distance traveled, displacement, and magnitude of displacement. Identify each quantity in your example specifically.
英語のヒント
移動距離、変位、変位の大きさの違いが明確になる例を挙げよ。その例における各量を具体的に特定せよ。
Solution解き方
You drive your car into town and return to drive past your house to a friend’s house.
英語のヒント
車で町へ行き、戻って自宅を通り過ぎ、友人の家へ行く。
Exercise 2問題 2
Under what circumstances does distance traveled equal magnitude of displacement? What is the only case in which magnitude of displacement and distance are exactly the same?
英語のヒント
どのような状況で、移動距離が変位の大きさと等しくなるか。変位の大きさと距離が完全に等しくなるのは、どのような場合だけか。
Exercise 3問題 3
Bacteria move back and forth using their flagella (structures that look like little tails). Speeds of up to 50 μm/s (50 × 10−6 m/s) have been observed. The total distance traveled by a bacterium is large for its size, whereas its displacement is small. Why is this?
英語のヒント
細菌は、べん毛(小さな尾のように見える構造)を使って前後に動く。最大50 μm/s(50 × 10−6 m/s)の速さが観測されている。細菌の全移動距離は体の大きさに比べて大きいが、変位は小さい。なぜか。
Solution解き方
If the bacteria are moving back and forth, then the displacements are canceling each other and the final displacement is small.
英語のヒント
細菌が前後に動くと、変位どうしが打ち消し合うため、最後の変位は小さくなる。
Exercise 4問題 4
Give an example of a device used to measure time and identify what change in that device indicates a change in time.
英語のヒント
時間を測る装置の例を一つ挙げ、その装置のどんな変化が時間の変化を示すかを特定せよ。
Exercise 5問題 5
Does a car’s odometer measure distance traveled or displacement?
英語のヒント
車の走行距離計が測るのは、移動距離か変位か。
Solution解き方
Distance traveled
英語のヒント
移動距離。
Exercise 6問題 6
During a given time interval the average velocity of an object is zero. What can you conclude about its displacement over the time interval?
英語のヒント
ある時間間隔で、物体の平均速度が0である。この時間間隔での変位について、何が結論できるか。

Problems問題

Exercises 7–12練習問題 7–12
Exercise 7問題 7
Consider a coordinate system in which the positive x axis is directed upward vertically. What are the positions of a particle (a) 5.0 m directly above the origin and (b) 2.0 m below the origin?
英語のヒント
x軸の正方向が鉛直上向きの座標系を考える。(a)原点の真上5.0 m、(b)原点の下2.0 mにある粒子の位置はいくらか。
Exercise 8問題 8
A car is 2.0 km west of a traffic light at t = 0 and 5.0 km east of the light at t = 6.0 min. Assume the origin of the coordinate system is the light and the positive x direction is eastward. (a) What are the car’s position vectors at these two times? (b) What is the car’s displacement between 0 min and 6.0 min?
英語のヒント
車がt = 0で信号機の西2.0 kmにあり、t = 6.0 minで信号機の東5.0 kmにある。座標系の原点を信号機とし、xの正方向を東とする。(a)この二つの時刻の位置ベクトルはいくらか。(b)0分から6.0分までの変位はいくらか。
Solution解き方
a. x→1=(−2.0km)i^, x→2=(5.0km)i^; b. 7.0 km east
英語のヒント
(a)x→1=(−2.0km)i^、x→2=(5.0km)i^。(b)東へ7.0 km。
Exercise 9問題 9
The Shanghai maglev train connects Longyang Road to Pudong International Airport, a distance of 30 km. The journey takes 8 minutes on average. What is the maglev train’s average velocity?
英語のヒント
上海の磁気浮上式鉄道は、龍陽路から浦東国際空港までの30 kmを結ぶ。平均所要時間は8分である。この列車の平均速度はいくらか。
Exercise 10問題 10
The position of a particle moving along the x-axis is given by x(t)=4.0−2.0t m. (a) At what time does the particle cross the origin? (b) What is the displacement of the particle between t=3.0s and t=6.0s?
英語のヒント
x軸に沿って動く粒子の位置は、x(t)=4.0−2.0t mで与えられる。(a)何秒のとき原点を通過するか。(b)t=3.0sからt=6.0sの間の変位はいくらか。
Solution解き方
a. t=2.0 s; b. x(6.0)−x(3.0)=−8.0−(−2.0)=−6.0m
(a)t=2.0 s。(b)x(6.0)−x(3.0)=−8.0−(−2.0)=−6.0m。
Exercise 11問題 11
A cyclist rides 8.0 km east for 20 minutes, then they turn and head west for 8 minutes and 3.2 km. Finally, they ride east for 16 km, which takes 40 minutes. (a) What is the final displacement of the cyclist? (b) What is their average velocity?
英語のヒント
自転車の乗り手が、20分間で東へ8.0 km進み、向きを変えて8分間で西へ3.2 km進む。最後に東へ16 km進むのに40分かかる。(a)最後の変位はいくらか。(b)平均速度はいくらか。
Exercise 12問題 12
On February 15, 2013, a superbolide meteor (brighter than the Sun) entered Earth’s atmosphere over Chelyabinsk, Russia, and exploded at an altitude of 23.5 km. Eyewitnesses could feel the intense heat from the fireball, and the blast wave from the explosion blew out windows in buildings. The blast wave took approximately 2 minutes 30 seconds to reach ground level. The blast wave traveled at 10° above the horizon. (a) What was the average velocity of the blast wave? b) Compare this with the speed of sound, which is 343 m/s at sea level.
英語のヒント
2013年2月15日、太陽より明るい超火球がロシアのチェリャビンスク上空で大気に入り、高度23.5 kmで爆発した。目撃者は火球の強い熱を感じ、爆発の衝撃波によって建物の窓ガラスが吹き飛んだ。衝撃波が地上へ達するまで、約2分30秒かかった。衝撃波は水平線から10°上の方向を進んだ。(a)衝撃波の平均速度はいくらだったか。(b)海面上で343 m/sである音速と比較せよ。
Solution解き方
a. 150.0 s, v–=902m/s; b. 263% the speed of sound at sea level or about Mach 2.
英語のヒント
(a)150.0 s、v–=902m/s。(b)海面上の音速の263%、または約マッハ2。
average velocity
平均速度
the displacement divided by the time over which displacement occurs under constant acceleration
英語のヒント
一定加速度の下で、変位を、その変位が生じる時間で割ったもの。
displacement
変位
the change in position of an object
英語のヒント
物体の位置の変化。
distance traveled
移動距離
the total length of the path traveled between two positions
英語のヒント
二つの位置の間を移動した経路の全長。
elapsed time
経過時間
the difference between the ending time and the beginning time
英語のヒント
終わりの時刻と始まりの時刻の差。
kinematics
運動学
the description of motion through properties such as position, time, velocity, and acceleration
英語のヒント
位置、時間、速度、加速度などの性質を通して運動を記述すること。
position
位置
the location of an object at a particular time
英語のヒント
ある特定の時刻における物体の場所。
total displacement
全変位
the sum of individual displacements over a given time period
英語のヒント
ある時間内の個々の変位の和。