プリンキピア

第7章仕事と運動エネルギー

Challenge Problems発展問題

Exercises 99–108練習問題 99–108
Exercise 99問題 99
Shown below is a 40-kg crate that is pushed at constant velocity a distance 8.0 m along a 30° incline by the horizontal force F→. The coefficient of kinetic friction between the crate and the incline is μk=0.40. Calculate the work done by (a) the applied force, (b) the frictional force, (c) the gravitational force, and (d) the net force.
英語のヒント
下図の質量40 kgの木箱を、水平力F→で、傾斜角30°の斜面に沿って一定の速度で8.0 m押す。木箱と斜面の動摩擦係数はμk=0.40である。(a) 加えた力、(b) 摩擦力、(c) 重力、(d) 合力のする仕事を求めよ。
質量40 kgの物体が、水平となす角30°の斜面上にある。力ベクトルFが物体を斜面へ向かって水平に押す。

OpenStax / Rice University, University Physics Volume 1, CC BY 4.0. Source-book artwork retained. · CC BY 4.0 · Source出典

Solution解き方
If crate goes up: a. 3.46 kJ; b. −1.89 kJ; c. −1.57 kJ; d. 0; If crate goes down: a. −0.39 kJ; b. −1.18 kJ; c. 1.57 kJ; d. 0
英語のヒント
木箱が上る場合:a. 3.46 kJ、b. −1.89 kJ、c. −1.57 kJ、d. 0。木箱が下る場合:a. −0.39 kJ、b. −1.18 kJ、c. 1.57 kJ、d. 0。
Exercise 100問題 100
The surface of the preceding problem is modified so that the coefficient of kinetic friction is decreased. The same horizontal force is applied to the crate, and after being pushed 8.0 m, its speed is 5.0 m/s. How much work is now done by the force of friction? Assume that the crate starts at rest.
英語のヒント
前の問題の面を変え、動摩擦係数を小さくする。同じ水平力を木箱に加えると、8.0 m押した後の速さは5.0 m/sになった。このとき摩擦力のする仕事はいくらか。木箱は静止状態から動き始めるとする。
Exercise 101問題 101
The force F(x) varies with position, as shown below. Find the work done by this force on a particle as it moves from x=1.0m to x=5.0m.
英語のヒント
力F(x)が下図のように位置とともに変化する。粒子がx=1.0mからx=5.0mへ動く間に、この力がする仕事を求めよ。
xの単位をm、F(x)の単位をNとするグラフ。x=0から1.0 mまでFは1.0 Nで一定。x=2.0 mで5.0 Nまで直線的に増え、4.0 mで1.0 Nまで直線的に減った後、ただちに0 Nへ落ちる。そこから6.0 mで−4.0 Nまで直線的に減る。

OpenStax / Rice University, University Physics Volume 1, CC BY 4.0. Source-book artwork retained. · CC BY 4.0 · Source出典

Solution解き方
8.0 J
Exercise 102問題 102
Find the work done by the same force in Example 7.4, between the same points, A=(0,0)andB=(2m,2m), over a circular arc of radius 2 m, centered at (0, 2 m). Evaluate the path integral using Cartesian coordinates. (Hint: You will probably need to consult a table of integrals.)
英語のヒント
例題7.4と同じ力が、同じ二点A=(0,0)andB=(2m,2m)の間を、(0, 2 m)を中心とする半径2 mの円弧に沿って動くときにする仕事を求めよ。直交座標を使って線積分を計算せよ。(ヒント:積分表を参照する必要があるだろう。)
Exercise 103問題 103
Answer the preceding problem using polar coordinates.
英語のヒント
前の問題を極座標で解け。
Solution解き方
35.7 J
Exercise 104問題 104
Find the work done by the same force in Example 7.4, between the same points, A=(0,0)andB=(2m,2m), over a circular arc of radius 2 m, centered at (2 m, 0). Evaluate the path integral using Cartesian coordinates. (Hint: You will probably need to consult a table of integrals.)
英語のヒント
例題7.4と同じ力が、同じ二点A=(0,0)andB=(2m,2m)の間を、(2 m, 0)を中心とする半径2 mの円弧に沿って動くときにする仕事を求めよ。直交座標を使って線積分を計算せよ。(ヒント:積分表を参照する必要があるだろう。)
Exercise 105問題 105
Answer the preceding problem using polar coordinates.
英語のヒント
前の問題を極座標で解け。
Solution解き方
24.3 J
Exercise 106問題 106
Constant power P is delivered to a car of mass m by its engine. Show that if air resistance can be ignored, the distance covered in a time t by the car, starting from rest, is given by s=(8P/9m)1/2t3/2.
英語のヒント
エンジンが質量mの車に一定の仕事率Pを供給する。空気抵抗を無視できるなら、静止状態から出発した車が時間tの間に進む距離はs=(8P/9m)1/2t3/2で与えられることを示せ。
Exercise 107問題 107
Suppose that the air resistance a car encounters is independent of its speed. When the car travels at 15 m/s, its engine delivers 20 hp to its wheels. (a) What is the power delivered to the wheels when the car travels at 30 m/s? (b) How much energy does the car use in covering 10 km at 15 m/s? At 30 m/s? Assume that the engine is 25% efficient. (c) Answer the same questions if the force of air resistance is proportional to the speed of the automobile. (d) What do these results, plus your experience with gasoline consumption, tell you about air resistance?
英語のヒント
車が受ける空気抵抗は速さによらないとする。車が15 m/sで走ると、エンジンは車輪へ20 hpを供給する。(a) 30 m/sで走るとき、車輪に供給される仕事率はいくらか。(b) 15 m/sで10 km進むのに使うエネルギーはいくらか。30 m/sではどうか。エンジン効率は25%とする。(c) 空気抵抗力が車の速さに比例する場合に、同じ問いに答えよ。(d) これらの結果と、ガソリン消費量についての自身の経験から、空気抵抗について何がわかるか。
Solution解き方
a. 40 hp; b. 39.8 MJ, independent of speed; c. 80 hp, 79.6 MJ at 30 m/s; d. If air resistance is proportional to speed, the car gets about 22 mpg at 34 mph and half that at twice the speed, closer to actual driving experience.
英語のヒント
a. 40 hp。b. 39.8 MJで、速さによらない。c. 30 m/sでは80 hp、79.6 MJ。d. 空気抵抗が速さに比例するなら、34 mphでの燃費は約22 mpg、速さが2倍になると燃費は半分になる。こちらのほうが実際の運転経験に近い。
Exercise 108問題 108
Consider a linear spring, as in Figure 7.7(a), with mass M uniformly distributed along its length. The left end of the spring is fixed, but the right end, at the equilibrium position x=0, is moving with speed v in the x-direction. What is the total kinetic energy of the spring? (Hint: First express the kinetic energy of an infinitesimal element of the spring dm in terms of the total mass, equilibrium length, speed of the right-hand end, and position along the spring; then integrate.)
英語のヒント
図7.7(a)のような線形のばねを考える。質量Mは長さ方向に一様に分布している。左端は固定されているが、つり合いの位置x=0にある右端は、x方向へ速さvで動いている。ばね全体の運動エネルギーはいくらか。(ヒント:まず、ばねの微小部分dmの運動エネルギーを、総質量、つり合い時の長さ、右端の速さ、ばねに沿った位置で表し、それから積分する。)
average power
平均仕事率
work done in a time interval divided by the time interval
英語のヒント
ある時間間隔にされた仕事を、その時間間隔で割ったもの。
power
仕事率
(or instantaneous power) rate of doing work
英語のヒント
仕事をする速さ。瞬間仕事率ともいう。