第5章ニュートンの運動法則
Challenge Problems発展問題
Exercises 93–109練習問題 93–109
Exercise 93問題 93
If two tugboats pull on a disabled vessel, as shown here in an overhead view, the disabled vessel will be pulled along the direction indicated by the result of the exerted forces. (a) Draw a free-body diagram for the vessel. Assume no friction or drag forces affect the vessel. (b) Did you include all forces in the overhead view in your free-body diagram? Why or why not?
英語のヒント
上から見た図のように、二隻のタグボートが航行不能の船を引くと、船は二つの力の合力の向きに引かれる。(a) 船の力の図を描け。摩擦や抗力は働かないものとする。(b) 上から見た図にある力を、すべて力の図に含めたか。その理由を述べよ。
Solution解き方
a.

OpenStax / Rice University, University Physics Volume 1, CC BY 4.0. Source-book artwork retained. · CC BY 4.0 · Source出典
; b. No; is not shown, because it would replace and . (If we want to show it, we could draw it and then place squiggly lines on and to show that they are no longer considered.
英語のヒント
b. 含めない。はとを置き換えるものなので、図には示さない。示したい場合は、そのベクトルを描いた後、とに波線を付け、これらを別には数えないことを示せばよい。
Exercise 94問題 94
A 10.0-kg object is initially moving east at 15.0 m/s. Then a force acts on it for 2.00 s, after which it moves northwest, also at 15.0 m/s. What are the magnitude and direction of the average force that acted on the object over the 2.00-s interval?
英語のヒント
質量10.0 kgの物体が、初めは東へ毎秒15.0 mで動いている。その後2.00 sの間、力が働き、同じ毎秒15.0 mで北西へ動くようになった。この2.00 sに物体に働いた平均の力の大きさと向きを求めよ。
Exercise 95問題 95
On June 25, 1983, shot-putter Udo Beyer of East Germany threw the 7.26-kg shot 22.22 m, which at that time was a world record. (a) If the shot was released at a height of 2.20 m with a projection angle of , what was its initial velocity? (b) If while in Beyer’s hand the shot was accelerated uniformly over a distance of 1.20 m, what was the net force on it?
英語のヒント
1983年6月25日、東ドイツの砲丸投選手ウド・バイヤーは、質量7.26 kgの砲丸を22.22 m投げ、当時の世界記録を樹立した。(a) 高さ2.20 mから投射角で放したならば、初速度はいくらか。(b) 手に持っている間、1.20 mの距離にわたって一様に加速したならば、砲丸に働いた合力はいくらか。
Solution解き方
a. 14.1 m/s; b. 601 N
a. 14.1 m/s。b. 601 N。
Exercise 96問題 96
A body of mass m moves in a horizontal direction such that at time t its position is given by where a, b, and c are constants. (a) What is the acceleration of the body? (b) What is the time-dependent force acting on the body?
英語のヒント
質量mの物体が水平方向に動き、時刻tでの位置はで与えられる。a、b、cは定数である。(a) 物体の加速度はいくらか。(b) 物体に働く力を時間の関数で求めよ。
Exercise 97問題 97
A body of mass m has initial velocity in the positive x-direction. It is acted on by a constant force F for time t until the velocity becomes zero; the force continues to act on the body until its velocity becomes in the same amount of time. Write an expression for the total distance the body travels in terms of the variables indicated.
英語のヒント
質量mの物体がx軸の正方向に初速度をもつ。一定の力Fが時間tの間働き、速度が0になる。同じ力がさらに同じ時間だけ働き続け、速度がになる。示した変数を使い、物体が進む総距離の式を書け。
Solution解き方
Exercise 98問題 98
The velocities of a 3.0-kg object at and are and , respectively. If the object is moving at constant acceleration, what is the force acting on it?
英語のヒント
質量3.0 kgの物体の、とにおける速度は、それぞれとである。物体が一定の加速度で動くとき、働く力はいくらか。
Exercise 99問題 99
A 120-kg astronaut is riding in a rocket sled that is sliding along an inclined plane. The sled has a horizontal component of acceleration of and a downward component of . Calculate the magnitude of the force on the rider by the sled. (Hint: Remember that gravitational acceleration must be considered.)
英語のヒント
質量120 kgの宇宙飛行士が、斜面を滑るロケットそりに乗っている。そりの加速度の水平成分は、下向き成分はである。そりが搭乗者に及ぼす力の大きさを求めよ。ヒント:重力加速度も考慮する必要がある。
Solution解き方
936 N
Exercise 100問題 100
Two forces are acting on a 5.0-kg object that moves with acceleration in the positive y-direction. If one of the forces acts in the positive x-direction and has magnitude of 12 N, what is the magnitude of the other force?
英語のヒント
質量5.0 kgの物体に二つの力が働き、y軸の正方向への加速度で動く。一方の力がx軸の正方向に12 Nで働くならば、もう一方の力の大きさはいくらか。
Exercise 101問題 101
Suppose that you are viewing a soccer game from a helicopter above the playing field. Two soccer players simultaneously kick a stationary soccer ball on the flat field; the soccer ball has mass 0.420 kg. The first player kicks with force 162 N at north of west. At the same instant, the second player kicks with force 215 N at east of south. Find the acceleration of the ball in and form.
英語のヒント
フィールド上空のヘリコプターからサッカーの試合を見ている。平らなフィールド上で静止した質量0.420 kgのボールを、二人の選手が同時に蹴る。一人目は西から北への方向に162 N、二人目は南から東への方向に215 Nの力を加える。ボールの加速度をとの形で求めよ。
Solution解き方
Exercise 102問題 102
A 10.0-kg mass hangs from a spring that has the spring constant 535 N/m. Find the position of the end of the spring away from its rest position. (Use .)
英語のヒント
ばね定数535 N/mのばねに、質量10.0 kgのおもりをつるす。ばねの端が自然な長さの位置からどれだけ移動するかを求めよ。を使う。
Exercise 103問題 103
A 0.0502-kg pair of fuzzy dice is attached to the rearview mirror of a car by a short string. The car accelerates at constant rate, and the dice hang at an angle of from the vertical because of the car’s acceleration. What is the magnitude of the acceleration of the car?
英語のヒント
質量0.0502 kgの、毛で覆われたサイコロの飾り一組を、短いひもで車のバックミラーにつるす。車が一定の加速度で進むと、サイコロは鉛直から傾いてつり下がる。車の加速度の大きさはいくらか。
Solution解き方
Exercise 104問題 104
At a circus, a donkey pulls on a sled carrying a small clown with a force given by . A horse pulls on the same sled, aiding the hapless donkey, with a force of . The mass of the sled is 575 kg. Using and form for the answer to each problem, find (a) the net force on the sled when the two animals act together, (b) the acceleration of the sled, and (c) the velocity after 6.50 s.
英語のヒント
サーカスで、ロバが小柄な道化師を乗せたそりを力で引いている。気の毒なロバを助ける馬が、同じそりを力で引く。そりの質量は575 kgである。各答えをとの形で表し、(a) 二頭が同時に引くときの合力、(b) そりの加速度、(c) 6.50 s後の速度を求めよ。
Exercise 105問題 105
Hanging from the ceiling over a baby bed, well out of baby’s reach, is a string with plastic shapes, as shown here. The string is taut (there is no slack), as shown by the straight segments. Each plastic shape has the same mass m, and they are equally spaced by a distance d, as shown. The angles labeled describe the angle formed by the end of the string and the ceiling at each end. The center length of sting is horizontal. The remaining two segments each form an angle with the horizontal, labeled . Let be the tension in the leftmost section of the string, be the tension in the section adjacent to it, and be the tension in the horizontal segment. (a) Find an equation for the tension in each section of the string in terms of the variables m, g, and . (b) Find the angle in terms of the angle . (c) If , what is the value of ? (d) Find the distance x between the endpoints in terms of d and .
英語のヒント
図のように、赤ちゃんの手が届かない十分高い位置で、ベビーベッドの上の天井からプラスチックの飾りを付けたひもをつるす。ひもはたるまずに張っており、各部分は真っすぐである。飾りの質量はすべてmで、距離dごとに等間隔に付けられている。は、ひもの両端が天井となす角を表す。中央のひもは水平で、残りの二つの部分が水平となす角をとする。左端の部分の張力を、その隣を、水平な部分をとする。(a) 各部分の張力を、m、g、で表せ。(b) 角を角で表せ。(c) のとき、はいくらか。(d) 両端の距離xを、dとで表せ。
Solution解き方
a. , , b. ; c. ; (d)
a. 、、。b. 。c. 。d. 。
Exercise 106問題 106
A bullet shot from a rifle has mass of 10.0 g and travels to the right at 350 m/s. It strikes a target, a large bag of sand, penetrating it a distance of 34.0 cm. Find the magnitude and direction of the retarding force that slows and stops the bullet.
英語のヒント
ライフルから発射された質量10.0 gの弾丸が、右へ毎秒350 mで進む。標的の大きな砂袋に当たり、34.0 cm貫入して止まる。弾丸を減速・停止させる力の大きさと向きを求めよ。
Exercise 107問題 107
An object is acted on by three simultaneous forces: , , and . The object experiences acceleration of . (a) Find the acceleration vector in terms of m. (b) Find the mass of the object. (c) If the object begins from rest, find its speed after 5.00 s. (d) Find the components of the velocity of the object after 5.00 s.
英語のヒント
物体に、、の三つの力が同時に働き、加速度はである。(a) 加速度ベクトルをmで表せ。(b) 物体の質量を求めよ。(c) 静止状態から動き始めるとき、5.00 s後の速さを求めよ。(d) 5.00 s後の速度の各成分を求めよ。
Solution解き方
a. b. 1.38 kg; c. 21.2 m/s; d.
a. 。b. 1.38 kg。c. 21.2 m/s。d. 。
Exercise 108問題 108
In a particle accelerator, a proton has mass and an initial speed of It moves in a straight line, and its speed increases to in a distance of 10.0 cm. Assume that the acceleration is constant. Find the magnitude of the force exerted on the proton.
英語のヒント
粒子加速器内の陽子の質量は、初速はである。陽子は直線に沿って進み、10.0 cmの距離で速さがまで増す。加速度が一定と仮定し、陽子に働く力の大きさを求めよ。
Exercise 109問題 109
A drone is being directed across a frictionless ice-covered lake. The mass of the drone is 1.50 kg, and its velocity is . After 10.0 s, the velocity is . If a constant force in the horizontal direction is causing this change in motion, find (a) the components of the force and (b) the magnitude of the force.
英語のヒント
摩擦のない、氷に覆われた湖の上でドローンを動かしている。質量は1.50 kg、速度はで、10.0 s後にはとなる。水平方向の一定の力がこの運動の変化を生じさせるならば、(a) 力の各成分、(b) 力の大きさを求めよ。
Solution解き方
a. ; b. 1.08 N
a. 。b. 1.08 N。

