第6章ニュートンの法則の応用
Challenge Problems発展問題
Exercises 129–135練習問題 129–135
Exercise 129問題 129
In a later chapter, you will find that the weight of a particle varies with altitude such that where is the radius of Earth and r is the distance from Earth’s center. If the particle is fired vertically with velocity from Earth’s surface, determine its velocity as a function of position r. (Hint: use the rearrangement mentioned in the text.)
英語のヒント
後の章で、粒子の重さは高度によりと変わることを学ぶ。は地球の半径、rは地球の中心からの距離である。粒子を地表から鉛直に初速度で発射したとき、速度を位置rの関数として求めよ。ヒント:本文で導いた変形式を使う。
Solution解き方
Exercise 130問題 130
A large centrifuge, like the one shown below, is used to expose aspiring astronauts to accelerations similar to those experienced in rocket launches and atmospheric reentries. (a) At what angular velocity is the centripetal acceleration 10g if the rider is 15.0 m from the center of rotation? (b) The rider’s cage hangs on a pivot at the end of the arm, allowing it to swing outward during rotation as shown in the bottom accompanying figure. At what angle below the horizontal will the cage hang when the centripetal acceleration is 10g? (Hint: The arm supplies centripetal force and supports the weight of the cage. Draw a free-body diagram of the forces to see what the angle should be.)
英語のヒント
下図の大型遠心装置は、宇宙飛行士を目指す人に、ロケット打ち上げや大気圏再突入時のような加速度を体験させるために使う。(a) 乗り手が回転中心から15.0 mにいるとき、向心加速度が10gになる角速度はいくらか。(b) 乗り手のかごは腕の先の支点につり下がり、下の図のように回転中に外へ振り出せる。向心加速度が10gのとき、かごは水平より下に何度傾いてつり下がるか。ヒント:腕は向心力を与え、かごの重さを支える。力の図を描き、角度を考えよ。
Exercise 131問題 131
A car of mass 1000.0 kg is traveling along a level road at 100.0 km/h when its brakes are applied. Calculate the stopping distance if the coefficient of kinetic friction of the tires is 0.500. Neglect air resistance. (Hint: since the distance traveled is of interest rather than the time, x is the desired independent variable and not t. Use the Chain Rule to change the variable:
英語のヒント
質量1000.0 kgの車が、水平な道路を100.0 km/hで走行中にブレーキをかける。タイヤの動摩擦係数が0.500のとき、停止距離を求めよ。空気抵抗は無視する。(ヒント:知りたいのは時間でなく距離なので、独立変数にはtでなくxを使う。連鎖律で変数を変えると
Solution解き方
78.7 m
Exercise 132問題 132
An airplane flying at 200.0 m/s makes a turn that takes 4.0 min. What bank angle is required? What is the percentage increase in the perceived weight of the passengers?
英語のヒント
200.0 m/sで飛ぶ飛行機が、4.0 minかけて旋回する。必要な傾斜角はいくらか。乗客が感じる重さは何%増えるか。
Exercise 133問題 133
A skydiver is at an altitude of 1520 m. After 10.0 seconds of free fall, he opens his parachute and finds that the air resistance, , is given by the formula where b is a constant and v is the velocity. If and the mass of the skydiver is 82.0 kg, first set up differential equations for the velocity and the position, and then find: (a) the speed of the skydiver when the parachute opens, (b) the distance fallen before the parachute opens, (c) the terminal velocity after the parachute opens (find the limiting velocity), and (d) the time the skydiver is in the air after the parachute opens.
英語のヒント
スカイダイバーが高度1520 mにいる。10.0 s自由落下した後でパラシュートを開くと、空気抵抗はで表された。bは定数、vは速度である。、ダイバーの質量は82.0 kgとする。まず速度と位置の微分方程式を立て、(a) パラシュートを開くときの速さ、(b) 開くまでの落下距離、(c) 開いた後の終端速度(速度の極限値)、(d) 開いてから空中にいる時間を求めよ。
Solution解き方
a. 98 m/s; b. 490 m; c. 107 m/s; d. 10.1 s
a. 98 m/s、b. 490 m、c. 107 m/s、d. 10.1 s
Exercise 134問題 134
In a television commercial, a small, spherical bead of mass 4.00 g is released from rest at in a bottle of liquid shampoo. The terminal speed is observed to be 2.00 cm/s. Find (a) the value of the constant b in the equation and (b) the value of the resistive force when the bead reaches terminal speed.
英語のヒント
テレビCMで、質量4.00 gの小さな球形ビーズを、シャンプーの入った瓶の中でに静止状態から放す。終端の速さは2.00 cm/sと観測された。(a) 式の定数bと、(b) 終端の速さでの抵抗力を求めよ。
Exercise 135問題 135
A boater and motor boat are at rest on a lake. Together, they have mass 200.0 kg. If the thrust of the motor is a constant force of 40.0 N in the direction of motion, and if the resistive force of the water is numerically equivalent to 2 times the speed v of the boat, set up and solve the differential equation to find: (a) the velocity of the boat at time t; (b) the limiting velocity (the velocity after a long time has passed).
英語のヒント
人が乗るモーターボートが湖上で静止し、合計質量は200.0 kgである。モーターの推力は運動方向に一定の40.0 Nで、水の抵抗力の数値は速さvの2倍に等しいとする。微分方程式を立てて解き、(a) 時刻tの速度、(b) 長時間後の速度の極限値を求めよ。
Solution解き方
a. b.
a. 、b.
drag force
抗力
force that always opposes the motion of an object in a fluid; unlike simple friction, the drag force is proportional to some function of the velocity of the object in that fluid
英語のヒント
流体中の物体の運動と常に逆向きに働く力。単純な摩擦と異なり、流体中での物体の速度の何らかの関数に比例する。
terminal velocity
終端速度
constant velocity achieved by a falling object, which occurs when the weight of the object is balanced by the upward drag force
英語のヒント
落下する物体が、重さと上向きの抗力のつり合いによって達する一定の速度。
