第3章直線上の運動
Summaryまとめ
- Integral calculus gives us a more complete formulation of kinematics.
英語のヒント
積分によって、運動学をより完全な形で定式化できる。 - If acceleration a(t) is known, we can use integral calculus to derive expressions for velocity v(t) and position x(t).
英語のヒント
加速度a(t)が分かれば、積分を使って速度v(t)と位置x(t)の式を導ける。 - If acceleration is constant, the integral equations reduce to Equation 3.12 and Equation 3.13 for motion with constant acceleration.
英語のヒント
Key Equations重要な式
Displacement 変位 |
|
Total displacement 総変位 |
|
Average velocity 平均速度 |
|
Instantaneous velocity 瞬間速度 |
|
Average speed 平均の速さ |
|
Instantaneous speed 瞬間の速さ |
|
Average acceleration 平均加速度 |
|
Instantaneous acceleration 瞬間加速度 |
|
Position from average velocity 平均速度から位置を求める |
|
Average velocity (for constant acceleration) 平均速度(加速度一定の場合) |
|
Velocity from acceleration 加速度から速度を求める |
|
Position from velocity and acceleration 速度と加速度から位置を求める |
|
Velocity from distance 距離から速度を求める |
|
Velocity of free fall 自由落下の速度 |
|
Height of free fall 自由落下の高さ |
|
Velocity of free fall from height 高さから自由落下の速度を求める |
|
Velocity from acceleration 加速度から速度を求める |
|
Position from velocity 速度から位置を求める |
Conceptual Questions概念を確かめる問題
Exercises 77練習問題 77
Exercise 77問題 77
When given the acceleration function, what additional information is needed to find the velocity function and position function?
英語のヒント
加速度関数が与えられたとき、速度関数と位置関数を求めるには、どのような追加情報が必要か。
Problems問題
Exercises 78–81練習問題 78–81
Exercise 78問題 78
The acceleration of a particle varies with time according to the equation . Initially, the velocity and position are zero. (a) What is the velocity as a function of time? (b) What is the position as a function of time?
英語のヒント
粒子の加速度が、式に従って時間とともに変化する。初めの速度と位置は0である。(a)速度を時間の関数として求めよ。(b)位置を時間の関数として求めよ。
Exercise 79問題 79
Between t = 0 and t = t0, a rocket moves straight upward with an acceleration given by , where A and B are constants. (a) If x is in meters and t is in seconds, what are the units of A and B? (b) If the rocket starts from rest, how does the velocity vary between t = 0 and t = t0? (c) If its initial position is zero, what is the rocket’s position as a function of time during this same time interval?
英語のヒント
t = 0からt = t0の間、ロケットは加速度で真上へ進む。AとBは定数である。(a)xの単位がm、tの単位がsなら、AとBの単位は何か。(b)静止状態から出発した場合、t = 0からt = t0まで速度はどう変わるか。(c)初期位置が0なら、同じ時間区間でのロケットの位置を時間の関数として求めよ。
Solution解き方
a. ;
b. ;
c.
b. ;
c.
(a)。(b)。(c)。
Exercise 80問題 80
The velocity of a particle moving along the x-axis varies with time according to , where A = 2 m/s, B = 0.25 m, and . Determine the acceleration and position of the particle at t = 2.0 s and t = 5.0 s. Assume that .
英語のヒント
x軸上を動く粒子の速度が、に従って時間とともに変化する。ただしA = 2 m/s、B = 0.25 m、である。t = 2.0 sとt = 5.0 sでの加速度と位置を求めよ。とする。
Exercise 81問題 81
A particle at rest leaves the origin with its velocity increasing with time according to v(t) = 3.2t m/s. At 5.0 s, the particle’s velocity starts decreasing according to [16.0 – 1.5(t – 5.0)] m/s. This decrease continues until t = 11.0 s, after which the particle’s velocity remains constant at 7.0 m/s. (a) What is the acceleration of the particle as a function of time? (b) What is the position of the particle at t = 2.0 s, t = 7.0 s, and t = 12.0 s?
英語のヒント
静止していた粒子が原点を出発し、速度はv(t) = 3.2t m/sに従って時間とともに増加する。5.0 sになると、速度は[16.0 − 1.5(t − 5.0)] m/sに従って減少し始める。減少はt = 11.0 sまで続き、それ以後は7.0 m/sで一定となる。(a)加速度を時間の関数として求めよ。(b)t = 2.0 s、t = 7.0 s、t = 12.0 sでの位置はいくらか。
Solution解き方
a. ;
b.
b.
(a)。(b)。
Additional Problems追加問題
Exercises 82–111練習問題 82–111
Exercise 82問題 82
Professional baseball player Nolan Ryan could pitch a baseball at approximately 160.0 km/h. At that average velocity, how long did it take a ball thrown by Ryan to reach home plate, which is 18.4 m from the pitcher’s mound? Compare this with the average reaction time of a human to a visual stimulus, which is 0.25 s.
英語のヒント
プロ野球選手ノーラン・ライアンは、約160.0 km/hで投球できた。この平均速度なら、ライアンが投げたボールは、投手のマウンドから18.4 m離れたホームベースへどれだけの時間で達するか。人間の視覚刺激に対する平均反応時間0.25 sと比較せよ。
Exercise 83問題 83
An airplane leaves Chicago and makes the 3000-km trip to Los Angeles in 5.0 h. A second plane leaves Chicago one-half hour later and arrives in Los Angeles at the same time. Compare the average velocities of the two planes. Ignore the curvature of Earth and the difference in altitude between the two cities.
英語のヒント
飛行機がシカゴを出発し、ロサンゼルスまで3000 kmを5.0 hで飛ぶ。2機目は30分後にシカゴを出発し、同じ時刻にロサンゼルスへ着く。2機の平均速度を比較せよ。地球の曲率と、両都市の高度差は無視せよ。
Solution解き方
Take west to be the positive direction.
1st plane:
2nd plane
1st plane:
2nd plane
英語のヒント
西を正方向とする。1機目:。2機目:。
Exercise 84問題 84
Unreasonable Results A cyclist rides 16.0 km east, then 8.0 km west, then 8.0 km east, then 32.0 km west, and finally 11.2 km east. If his average velocity is 24 km/h, how long did it take him to complete the trip? Is this a reasonable time?
英語のヒント
不合理な結果。自転車に乗る人が東へ16.0 km、西へ8.0 km、東へ8.0 km、西へ32.0 km、最後に東へ11.2 km進む。平均速度が24 km/hなら、全行程にどれだけの時間がかかったか。これは妥当な時間か。
Exercise 85問題 85
An object has an acceleration of . At , its velocity is . Determine the object’s velocities at and .
英語のヒント
物体の加速度はである。での速度はである。とでの速度を求めよ。
Solution解き方
, ;
Exercise 86問題 86
A particle moves along the x-axis according to the equation m. What are the velocity and acceleration at s and s?
英語のヒント
粒子が式 mに従ってx軸上を動く。 sと sでの速度と加速度はいくらか。
Exercise 87問題 87
A particle moving at constant acceleration has velocities of at s and at s. What is the acceleration of the particle?
英語のヒント
一定の加速度で動く粒子の速度は、 sに、 sにである。この粒子の加速度はいくらか。
Solution解き方
Exercise 88問題 88
A train is moving up a steep grade at constant velocity (see following figure) when its caboose breaks loose and starts rolling freely along the track. After 5.0 s, the caboose is 30 m behind the train. What is the acceleration of the caboose?
英語のヒント
列車が急な勾配を一定の速度で上っている(次の図を参照)。そのとき最後尾の車掌車が外れ、線路に沿って自由に転がり始める。5.0 s後には、車掌車は列車の30 m後方にある。車掌車の加速度はいくらか。
Exercise 89問題 89
An electron is moving in a straight line with a velocity of m/s. It enters a region 5.0 cm long where it undergoes an acceleration of along the same straight line. (a) What is the electron’s velocity when it emerges from this region? b) How long does the electron take to cross the region?
英語のヒント
電子が速度 m/sで直線上を動いている。長さ5.0 cmの領域へ入り、同じ直線に沿って加速度を受ける。(a)この領域から出るときの電子の速度はいくらか。(b)領域を通り抜けるのにどれだけの時間がかかるか。
Solution解き方
a.
;
b.
;
b.
(a)。(b)。
Exercise 90問題 90
An ambulance driver is rushing a patient to the hospital. While traveling at 72 km/h, she notices the traffic light at the upcoming intersections has turned amber. To reach the intersection before the light turns red, she must travel 50 m in 2.0 s. (a) What minimum acceleration must the ambulance have to reach the intersection before the light turns red? (b) What is the speed of the ambulance when it reaches the intersection?
英語のヒント
救急車の運転者が患者を病院へ急送している。72 km/hで走行中、前方の交差点の信号が黄色に変わったことに気づく。赤になる前に交差点へ達するには、2.0 sで50 m進まなければならない。(a)信号が赤になる前に交差点へ達するために必要な、救急車の最小加速度はいくらか。(b)交差点へ達するときの速さはいくらか。
Exercise 91問題 91
A motorcycle that is slowing down uniformly covers 2.0 successive km in 80 s and 120 s, respectively. Calculate (a) the acceleration of the motorcycle and (b) its velocity at the beginning and end of the 2-km trip.
英語のヒント
オートバイが一様に減速しながら、連続する2.0 kmの最初の1 kmを80 s、次の1 kmを120 sで進む。(a)加速度と、(b)この2 kmの行程の初めと終わりの速度を求めよ。
Solution解き方
; solve simultaneously to get and , which is . Velocity at the end of the trip is .
英語のヒント
とを連立して解くと、とを得る。後者はである。行程の終わりの速度はである。
Exercise 92問題 92
A cyclist travels from point A to point B in 10 min. During the first 2.0 min of her trip, she maintains a uniform acceleration of . She then travels at constant velocity for the next 5.0 min. Next, she accelerates opposite to the motion at a constant rate so that she comes to a rest at point B 3.0 min later. (a) Sketch the velocity-versus-time graph for the trip. (b) What is the acceleration during the last 3 min? (c) How far does the cyclist travel?
英語のヒント
自転車に乗る人が、点Aから点Bまで10分で進む。最初の2.0 minは一定の加速度を保ち、次の5.0 minは一定の速度で進む。その後、運動と逆向きに一定の加速度を受け、3.0 min後に点Bで停止する。(a)行程の速度と時間のグラフの概形を描け。(b)最後の3 minの加速度はいくらか。(c)全体でどれだけ進むか。
Exercise 93問題 93
Two trains are moving at 30 m/s in opposite directions on the same track. The engineers see simultaneously that they are on a collision course and apply the brakes when they are 1000 m apart. Assuming both trains have the same acceleration, what must this acceleration be if the trains are to stop just short of colliding?
英語のヒント
2本の列車が同じ線路を互いに反対方向へ30 m/sで進んでいる。運転士は衝突コースにいることに同時に気づき、1000 m離れたところでブレーキをかける。両列車の加速度の大きさが同じと仮定すると、衝突する直前に停止するための加速度はいくらでなければならないか。
Solution解き方
Exercise 94問題 94
A 10.0-m-long truck moving with a constant velocity of 97.0 km/h passes a 3.0-m-long car moving with a constant velocity of 80.0 km/h. How much time elapses between the moment the front of the truck is even with the back of the car and the moment the back of the truck is even with the front of the car?
英語のヒント
長さ10.0 m、一定の速度97.0 km/hのトラックが、長さ3.0 m、一定の速度80.0 km/hの自動車を追い越す。トラックの前端が自動車の後端に並んでから、トラックの後端が自動車の前端に並ぶまでに、どれだけの時間がかかるか。
Exercise 95問題 95
A police car waits in hiding slightly off the highway. A speeding car is spotted by the police car doing 40 m/s. At the instant the speeding car passes the police car, the police car accelerates from rest at 4 m/s2 to catch the speeding car. How long does it take the police car to catch the speeding car?
英語のヒント
パトカーが幹線道路から少し離れた場所に隠れて待っている。速度40 m/sの違反車を発見し、その車がパトカーの位置を通過した瞬間、パトカーが静止状態から4 m/s2で加速して追いかける。違反車へ追いつくまでにどれだけかかるか。
Solution解き方
Equation for the speeding car: This car has a constant velocity, which is the average velocity, and is not accelerating, so use the equation for displacement with :; Equation for the police car: This car is accelerating, so use the equation for displacement with and , since the police car starts from rest: ; Now we have an equation of motion for each car with a common parameter, which can be eliminated to find the solution. In this case, we solve for . Step 1, eliminating : ; Step 2, solving for : . The speeding car has a constant velocity of 40 m/s, which is its average velocity. The acceleration of the police car is 4 m/s2. Evaluating t, the time for the police car to reach the speeding car, we have .
英語のヒント
違反車の式:速度は一定で平均速度に等しく、加速していない。したがってとして変位の式を使う。パトカーの式:こちらは静止状態から加速するので、、として変位の式を使う。これで、共通のパラメーターを持つ各車の運動の式が得られた。共通パラメーターを消去すれば解を求められる。ここではについて解く。手順1、を消去する:。手順2、について解く:。違反車の一定の速度40 m/sは、その平均速度である。パトカーの加速度は4 m/s2である。パトカーが違反車へ追いつくまでの時間tを計算すると、となる。
Exercise 96問題 96
Pablo is running in a half marathon at a velocity of 3 m/s. Another runner, Jacob, is 50 meters behind Pablo with the same velocity. Jacob begins to accelerate at 0.05 m/s2. (a) How long does it take Jacob to catch Pablo? (b) What is the distance covered by Jacob? (c) What is the final velocity of Jacob?
英語のヒント
パブロがハーフマラソンで速度3 m/sで走っている。別の走者ジェイコブは50 m後方を同じ速度で走っていて、0.05 m/s2で加速し始める。(a)ジェイコブがパブロへ追いつくまでにどれだけかかるか。(b)ジェイコブの移動距離はいくらか。(c)ジェイコブの最終速度はいくらか。
Exercise 97問題 97
Unreasonable results A runner approaches the finish line and is 75 m away; her speed at this position is 8 m/s. She accelerates opposite to the motion at this point at 0.5 m/s2. How long does it take her to cross the finish line from 75 m away? Is this reasonable?
英語のヒント
不合理な結果。走者がゴールへ近づき、残り75 mの地点にいる。この位置での速さは8 m/sで、ここから運動と逆向きに0.5 m/s2で加速する。75 m先のゴールを通過するまでにどれだけかかるか。この結果は合理的か。
Solution解き方
At this acceleration she comes to a full stop in , but the distance covered is , which is less than the distance she is away from the finish line, so she never finishes the race.
英語のヒント
この加速度ではで完全に停止するが、進む距離はである。ゴールまでの距離より短いため、走者はゴールへ達しない。
Exercise 98問題 98
An airplane accelerates at 5.00 m/s2 for 30.0 s. During this time, it covers a distance of 10.0 km. What are the initial and final velocities of the airplane?
英語のヒント
飛行機が5.00 m/s2で30.0 s加速し、その間に10.0 km進む。初速度と最終速度はいくらか。
Exercise 99問題 99
Compare the distance traveled of an object that undergoes a change in velocity that is twice its initial velocity with an object that changes its velocity by four times its initial velocity over the same time period. The accelerations of both objects are constant.
英語のヒント
同じ時間内に、初速度の2倍だけ速度が変化する物体と、初速度の4倍だけ速度が変化する物体の移動距離を比較せよ。どちらの物体の加速度も一定である。
Solution解き方
Exercise 100問題 100
An object is moving east with a constant velocity and is at position . (a) With what acceleration must the object have for its total displacement to be zero at a later time t ? (b) What is the physical interpretation of the solution in the case for ?
英語のヒント
物体が東へ一定の速度で動き、にある。(a)後の時刻tに総変位を0にするには、どのような加速度が必要か。(b)の場合、解にはどのような物理的意味があるか。
Exercise 101問題 101
A ball is thrown straight up. It passes a 2.00-m-high window 7.50 m off the ground on its path up and takes 1.30 s to go past the window. What was the ball’s initial velocity?
英語のヒント
ボールを真上へ投げる。上昇中、地面から7.50 mのところにある高さ2.00 mの窓を、1.30 sかけて通過する。ボールの初速度はいくらだったか。
Solution解き方
velocity at the bottom of the window.
英語のヒント
窓の下端での速度は。、。
Exercise 102問題 102
A coin is dropped from a hot-air balloon that is 300 m above the ground and rising at 10.0 m/s upward. For the coin, find (a) the maximum height reached, (b) its position and velocity 4.00 s after being released, and (c) the time before it hits the ground.
英語のヒント
地上300 mを上向き10.0 m/sで上昇中の熱気球から、硬貨を落とす。硬貨について、(a)到達する最高点の高さ、(b)放して4.00 s後の位置と速度、(c)地面へ当たるまでの時間を求めよ。
Exercise 103問題 103
A soft tennis ball is dropped onto a hard floor from a height of 1.50 m and rebounds to a height of 1.10 m. (a) Calculate its velocity just before it strikes the floor. (b) Calculate its velocity just after it leaves the floor on its way back up. (c) Calculate its acceleration during contact with the floor if that contact lasts 3.50 ms (d) How much did the ball compress during its collision with the floor, assuming the floor is absolutely rigid?
英語のヒント
柔らかいテニスボールを高さ1.50 mから硬い床へ落とすと、高さ1.10 mまで跳ね返る。(a)床へ当たる直前の速度を求めよ。(b)跳ね返って床を離れた直後の速度を求めよ。(c)床との接触が3.50 ms続く場合、接触中の加速度を求めよ。(d)床が完全な剛体であると仮定し、衝突中にボールがどれだけ圧縮されたかを求めよ。
Solution解き方
a. ;
b. ;
c. ;
d.
b. ;
c. ;
d.
(a)。(b)。(c)。(d)。
Exercise 104問題 104
Unreasonable results. A raindrop falls from a cloud 100 m above the ground. Neglect air resistance. What is the speed of the raindrop when it hits the ground? Is this a reasonable number?
英語のヒント
不合理な結果。雨粒が地上100 mの雲から落下する。空気抵抗を無視すると、地面へ当たるときの速さはいくらか。この値は合理的か。
Exercise 105問題 105
Compare the time in the air of a basketball player who jumps 1.0 m vertically off the floor with that of a player who jumps 0.3 m vertically.
英語のヒント
床から鉛直上方へ1.0 m跳ぶバスケットボール選手と、0.3 m跳ぶ選手の、空中にいる時間を比較せよ。
Solution解き方
Consider the players fall from rest at the height 1.0 m and 0.3 m.
0.9 s
0.5 s
0.9 s
0.5 s
英語のヒント
選手が高さ1.0 mと0.3 mから静止状態で落ちると考える。0.9 sと0.5 s。
Exercise 106問題 106
Suppose that a person takes 0.5 s to react and move his hand to catch an object he has dropped. (a) How far does the object fall on Earth, where (b) How far does the object fall on the Moon, where the acceleration due to gravity is 1/6 of that on Earth?
英語のヒント
落とした物体を捕ろうとして、反応して手を動かすまでに0.5 sかかるとする。(a)の地球では、物体はどれだけ落ちるか。(b)重力加速度が地球の6分の1の月では、どれだけ落ちるか。
Exercise 107問題 107
A hot-air balloon rises from ground level at a constant velocity of 3.0 m/s. One minute after liftoff, a sandbag is dropped accidentally from the balloon. Calculate (a) the time it takes for the sandbag to reach the ground and (b) the velocity of the sandbag when it hits the ground.
英語のヒント
熱気球が地上から一定の速度3.0 m/sで上昇する。離陸の1分後、砂袋が誤って気球から落ちる。(a)砂袋が地面へ達するまでの時間と、(b)地面へ当たるときの速度を求めよ。
Solution解き方
a. taking the positive root;
b.
b.
英語のヒント
(a)正の根を取って。(b)。
Exercise 108問題 108
(a) A world record was set for the men’s 100-m dash in the 2008 Olympic Games in Beijing by Usain Bolt of Jamaica. Bolt “coasted” across the finish line with a time of 9.69 s. If we assume that Bolt accelerated for 3.00 s to reach his maximum speed, and maintained that speed for the rest of the race, calculate his maximum speed and his acceleration. (b) During the same Olympics, Bolt also set the world record in the 200-m dash with a time of 19.30 s. Using the same assumptions as for the 100-m dash, what was his maximum speed for this race?
英語のヒント
(a)2008年の北京オリンピックで、ジャマイカのウサイン・ボルトが男子100 m走の世界記録を樹立した。ボルトは最後には力を抜いてゴールし、記録は9.69 sだった。3.00 sで最高速度まで加速し、その後は残りのレースでその速度を保ったと仮定し、最高速度と加速度を求めよ。(b)同じオリンピックで、ボルトは200 m走でも19.30 sの世界記録を樹立した。100 m走と同じ仮定を使うと、このレースでの最高速度はいくらか。
Exercise 109問題 109
An object is dropped from a height of 75.0 m above ground level. (a) Determine the distance traveled during the first second. (b) Determine the final velocity at which the object hits the ground. (c) Determine the distance traveled during the last second of motion before hitting the ground.
英語のヒント
物体を地上75.0 mの高さから落とす。(a)最初の1秒に進む距離を求めよ。(b)地面へ当たるときの最終速度を求めよ。(c)地面へ当たる直前の最後の1秒に進む距離を求めよ。
Solution解き方
a. ;
b. ;
c.
b. ;
c.
(a)。(b)。(c)。
Exercise 110問題 110
A steel ball is dropped onto a hard floor from a height of 1.50 m and rebounds to a height of 1.45 m. (a) Calculate its velocity just before it strikes the floor. (b) Calculate its velocity just after it leaves the floor on its way back up. (c) Calculate its acceleration during contact with the floor if that contact lasts 0.0800 ms (d) How much did the ball compress during its collision with the floor, assuming the floor is absolutely rigid?
英語のヒント
鋼球を高さ1.50 mから硬い床へ落とすと、高さ1.45 mまで跳ね返る。(a)床へ当たる直前の速度を求めよ。(b)跳ね返って床を離れた直後の速度を求めよ。(c)床との接触が0.0800 ms続く場合、接触中の加速度を求めよ。(d)床が完全な剛体であると仮定し、衝突中に球がどれだけ圧縮されたかを求めよ。
Exercise 111問題 111
An object is dropped from a roof of a building of height h. During the last second of its descent, it drops a distance h/3. Calculate the height of the building.
英語のヒント
高さhの建物の屋上から物体を落とす。下降の最後の1秒間に、距離h/3だけ落ちる。建物の高さを求めよ。
Solution解き方
, h = total height and time to drop to ground
in t – 1 seconds it drops 2/3h
or
t = 5.45 s and h = 145.5 m. Other root is less than 1 s. Check for t = 4.45 s m
in t – 1 seconds it drops 2/3h
or
t = 5.45 s and h = 145.5 m. Other root is less than 1 s. Check for t = 4.45 s m
英語のヒント
。hは全体の高さで、tは地面まで落ちる時間である。。t − 1秒間には高さの2/3だけ落ちるので、、すなわちとなる。、より、t = 5.45 s、h = 145.5 mである。もう一つの根は1 sより小さい。t = 4.45 sで確かめると、 mとなる。

