第6章ニュートンの法則の応用
Problems問題
Exercises 61–74練習問題 61–74
Exercise 61問題 61
(a) A 22.0-kg child is riding a playground merry-go-round that is rotating at 40.0 rev/min. What centripetal force is exerted if he is 1.25 m from its center? (b) What centripetal force is exerted if the merry-go-round rotates at 3.00 rev/min and he is 8.00 m from its center? (c) Compare each force with his weight.
英語のヒント
(a) 質量22.0 kgの子どもが、40.0 rev/minで回る遊び場の回転遊具に乗り、中心から1.25 mにいる。向心力はいくらか。(b) 3.00 rev/minで回り、中心から8.00 mにいる場合はどうか。(c) それぞれの力を子どもの重さと比べよ。
Solution解き方
a. 483 N; b. 17.4 N; c. 2.24, 0.0807
a. 483 N、b. 17.4 N、c. 2.24、0.0807
Exercise 62問題 62
Calculate the centripetal force on the end of a 100-m (radius) wind turbine blade that is rotating at 0.5 rev/s. Assume the mass is 4 kg.
英語のヒント
0.5 rev/sで回転する半径100 mの風力タービンの羽根の先端に働く向心力を求めよ。質量は4 kgとする。
Exercise 63問題 63
What is the ideal banking angle for a gentle turn of 1.20-km radius on a highway with a 105 km/h speed limit (about 65 mi/h), assuming everyone travels at the limit?
英語のヒント
制限速度105 km/h(約65 mi/h)の高速道路にある、半径1.20 kmの緩やかなカーブの理想的な傾斜角はいくらか。全車が制限速度で走るとする。
Solution解き方
Exercise 64問題 64
What is the ideal speed to take a 100.0-m-radius curve banked at a angle?
英語のヒント
半径100.0 m、傾斜角のカーブを曲がる理想的な速さはいくらか。
Exercise 65問題 65
(a) What is the radius of a bobsled turn banked at and taken at 30.0 m/s, assuming it is ideally banked? (b) Calculate the centripetal acceleration. (c) Does this acceleration seem large to you?
英語のヒント
(a) 傾斜角のボブスレーのカーブを、30.0 m/sで通過する。理想的な傾斜だとして半径を求めよ。(b) 向心加速度を求めよ。(c) この加速度を大きいと感じるか。
Solution解き方
a. 24.6 m; b. c. 3.73 times g
英語のヒント
a. 24.6 m、b. 、c. gの3.73倍。
Exercise 66問題 66
Part of riding a bicycle involves leaning at the correct angle when making a turn, as seen below. To be stable, the force exerted by the ground must be on a line going through the center of gravity. The force on the bicycle wheel can be resolved into two perpendicular components—friction parallel to the road (this must supply the centripetal force) and the vertical normal force (which must equal the system’s weight). (a) Show that (as defined as shown) is related to the speed v and radius of curvature r of the turn in the same way as for an ideally banked roadway—that is, (b) Calculate for a 12.0-m/s turn of radius 30.0 m (as in a race).
英語のヒント
自転車で曲がるには、下図のように適切な角度で傾く必要がある。安定するには、地面が及ぼす力の作用線が重心を通らなければならない。車輪への力は、道路に平行な摩擦(向心力を与える)と、鉛直な垂直抗力(系の重さに等しい)という互いに垂直な二成分に分けられる。(a) 図で定義したが、速さvと曲率半径rに、理想的な傾斜の道路と同じ関係、すなわちで結ばれることを示せ。(b) レースのように、半径30.0 mのカーブを12.0 m/sで曲がるときのを求めよ。
Exercise 67問題 67
If a car takes a banked curve at less than the ideal speed, friction is needed to keep it from sliding toward the inside of the curve (a problem on icy mountain roads). (a) Calculate the ideal speed to take a 100.0 m radius curve banked at . (b) What is the minimum coefficient of friction needed for a frightened driver to take the same curve at 20.0 km/h?
英語のヒント
傾斜したカーブを理想的な速さより遅く曲がる場合、内側へ滑り落ちないよう摩擦が必要になる。凍結した山道では問題になる。(a) 半径100.0 m、傾斜角のカーブの理想的な速さを求めよ。(b) 怖がっている運転者が同じカーブを20.0 km/hで曲がるには、最低いくらの摩擦係数が必要か。
Solution解き方
a. 16.2 m/s; b. 0.234
a. 16.2 m/s、b. 0.234
Exercise 68問題 68
Modern roller coasters have vertical loops like the one shown here. The radius of curvature is smaller at the top than on the sides so that the downward centripetal acceleration at the top will be greater than the acceleration due to gravity, keeping the passengers pressed firmly into their seats. What is the speed of the roller coaster at the top of the loop if the radius of curvature there is 15.0 m and the downward acceleration of the car is 1.50 g?
英語のヒント
現代のジェットコースターには、図のような鉛直ループがある。頂点の曲率半径は側面より小さく、頂点の下向き向心加速度が重力加速度より大きくなるので、乗客は座席にしっかり押し付けられる。頂点の曲率半径が15.0 m、車両の下向き加速度が1.50 gのとき、頂点での速さはいくらか。
Exercise 69問題 69
A child of mass 40.0 kg is in a roller coaster car that travels in a loop of radius 7.00 m. At point A the speed of the car is 10.0 m/s, and at point B, the speed is 10.5 m/s. Assume the child is not holding on and does not wear a seat belt. (a) What is the force of the car seat on the child at point A? (b) What is the force of the car seat on the child at point B? (c) What minimum speed is required to keep the child in his seat at point A?
英語のヒント
質量40.0 kgの子どもが、半径7.00 mのループを通るジェットコースターに乗る。点Aの速さは10.0 m/s、点Bでは10.5 m/sである。子どもはつかまらず、シートベルトもしていないとする。(a) Aで座席が子どもに及ぼす力はいくらか。(b) Bではどうか。(c) Aで子どもを座席から離れさせない最小の速さはいくらか。
Solution解き方
a. 179 N; b. 290 N; c. 8.3 m/s
a. 179 N、b. 290 N、c. 8.3 m/s
Exercise 70問題 70
In the simple Bohr model of the ground state of the hydrogen atom, the electron travels in a circular orbit around a fixed proton. The radius of the orbit is and the speed of the electron is The mass of an electron is . What is the force on the electron?
英語のヒント
水素原子の基底状態を表す単純なボーア模型では、電子が固定された陽子の周りを円軌道で回る。半径は、電子の速さは、質量はである。電子に働く力はいくらか。
Exercise 71問題 71
Railroad tracks follow a circular curve of radius 500.0 m and are banked at an angle of . For trains of what speed are these tracks designed?
英語のヒント
鉄道の線路が半径500.0 mの円形カーブを描き、の傾斜を付けている。この線路は、列車のどの速さに合わせて設計されているか。
Solution解き方
20.7 m/s
Exercise 72問題 72
The CERN particle accelerator is circular with a circumference of 26.7 km. (a) What is the acceleration of the protons that move around the accelerator at of the speed of light? (The speed of light is ) (b) What is the force on the protons?
英語のヒント
CERNの粒子加速器は周長26.7 kmの円形である。(a) 光速ので周回する陽子の加速度はいくらか。光速はである。(b) 陽子に働く力はいくらか。
Exercise 73問題 73
A car rounds an unbanked curve of radius 65 m. If the coefficient of static friction between the road and car is 0.70, what is the maximum speed at which the car can traverse the curve without slipping?
英語のヒント
車が、横方向の傾斜のない半径65 mのカーブを曲がる。路面と車の静止摩擦係数が0.70のとき、滑らずに通過できる最大の速さはいくらか。
Solution解き方
21 m/s
Exercise 74問題 74
A banked highway is designed for traffic moving at 90.0 km/h. The radius of the curve is 310 m. What is the angle of banking of the highway?
英語のヒント
高速道路の傾斜したカーブが、90.0 km/hで走る車に合わせて設計されている。カーブの半径が310 mのとき、道路の傾斜角はいくらか。
banked curve
傾斜したカーブ
curve in a road that is sloping in a manner that helps a vehicle negotiate the curve
英語のヒント
車が曲がるのを助けるように、横方向の傾斜を付けた道路のカーブ。
centripetal force
向心力
any net force causing uniform circular motion
英語のヒント
等速円運動を生む合力。
Coriolis force
コリオリの力
inertial force causing the apparent deflection of moving objects when viewed in a rotating frame of reference
英語のヒント
回転する基準系から見たとき、動く物体の進路が曲がって見えることを説明する慣性力。
ideal banking
理想的な傾斜
sloping of a curve in a road, where the angle of the slope allows the vehicle to negotiate the curve at a certain speed without the aid of friction between the tires and the road; the net external force on the vehicle equals the horizontal centripetal force in the absence of friction
英語のヒント
ある速さで走る車が、タイヤと路面の摩擦の助けなしに曲がれるように付けたカーブの傾斜。摩擦がなくても、車に働く外力の合力が水平な向心力に等しくなる。
inertial force
慣性力
force that has no physical origin
英語のヒント
物理的な起源をもたない力。
noninertial frame of reference
非慣性基準系
accelerated frame of reference
英語のヒント
加速している基準系。


