プリンキピア

第8章位置エネルギーとエネルギー保存

Problems問題

Exercises 31–44練習問題 31–44
Exercise 31問題 31
A boy throws a ball of mass 0.25kg straight upward with an initial speed of 20m/s When the ball returns to the boy, its speed is 17m/s How much much work does air resistance do on the ball during its flight?
英語のヒント
少年が質量0.25kgの球を、初速度20m/sで真上へ投げる。少年のところへ戻ったときの速さは17m/sである。飛んでいる間に空気抵抗が球にする仕事はいくらか。
Solution解き方
–14J
Exercise 32問題 32
A mouse of mass 200 g falls 100 m down a vertical mine shaft and lands at the bottom with a speed of 8.0 m/s. During its fall, how much work is done on the mouse by air resistance?
英語のヒント
質量200 gのネズミが、鉱山の立て坑を100 m落下し、8.0 m/sで底に着いた。落下中に空気抵抗がネズミにする仕事はいくらか。
Exercise 33問題 33
Using energy considerations and assuming negligible air resistance, show that a rock thrown from a bridge 20.0 m above water with an initial speed of 15.0 m/s strikes the water with a speed of 24.8 m/s independent of the direction thrown. (Hint: show that Ki+Ui=Kf+Uf)
英語のヒント
空気抵抗を無視し、水面から20.0 mの橋から初速度15.0 m/sで投げた石は、投げる向きによらず24.8 m/sで水面に達することを、エネルギーから示せ。(ヒント:次の関係を示す。Ki+Ui=Kf+Uf)
Solution解き方
proof
英語のヒント
証明せよ。
Exercise 34問題 34
A 1.0-kg ball at the end of a 2.0-m string swings in a vertical plane. At its lowest point the ball is moving with a speed of 10 m/s. (a) What is its speed at the top of its path? (b) What is the tension in the string when the ball is at the bottom and at the top of its path?
英語のヒント
長さ2.0 mの糸の先の質量1.0 kgの球が、鉛直面内を回転する。最下点での速さは10 m/sである。(a) 最高点での速さはいくらか。(b) 最下点と最高点で、糸の張力はいくらか。
Exercise 35問題 35
Ignoring details associated with friction, extra forces exerted by arm and leg muscles, and other factors, we can consider a pole vault as the conversion of an athlete’s running kinetic energy to gravitational potential energy. If an athlete is to lift their body 4.8 m during a vault, what speed must they have when they plant the pole?
英語のヒント
摩擦、手足の筋肉が加える力、ほかの要因の細部を無視すると、棒高跳びは走る選手の運動エネルギーを重力による位置エネルギーに変えるものと考えられる。跳躍中に体を4.8 m持ち上げるには、ポールを突くときにどれだけの速さが必要か。
Solution解き方
9.7m/s
Exercise 36問題 36
Tarzan grabs a vine hanging vertically from a tall tree when he is running at 9.0m/s. (a) How high can he swing upward? (b) Does the length of the vine affect this height?
英語のヒント
ターザンが9.0m/sで走りながら、高い木から鉛直につるされたつるをつかむ。(a) 振り上がってどれだけの高さまで達するか。(b) つるの長さはその高さに影響するか。
Exercise 37問題 37
Assume that the force of a bow on an arrow behaves like the spring force. In aiming the arrow, an archer pulls the bow back 50 cm and holds it in position with a force of 150N. If the mass of the arrow is 50g and the “spring” is massless, what is the speed of the arrow immediately after it leaves the bow?
英語のヒント
弓が矢に及ぼす力は、ばねの力のように振る舞うとする。射手がねらいを定めるために弓を50 cm引き、力150Nでその位置に保つ。矢の質量が50g、「ばね」の質量がゼロなら、弓を離れた直後の矢の速さはいくらか。
Solution解き方
39m/s
Exercise 38問題 38
A 100−kg man is skiing across level ground at a speed of 8.0m/s when he comes to the small slope 1.8 m higher than ground level shown in the following figure. (a) If the skier coasts up the hill, what is his speed when he reaches the top plateau? Assume friction between the snow and skis is negligible. (b) What is his speed when he reaches the upper level if an 80−N frictional force acts on the skis?
英語のヒント
100−kgの男性が平らな場所を速さ8.0m/sで滑走し、下図の、元の地面より1.8 m高い小さな坂に達する。(a) 雪とスキーの摩擦を無視して惰性で上った場合、上の平らな場所での速さはいくらか。(b) スキーに80−Nの摩擦力が働く場合はどうか。
長さ8.0 mの坂を上ったスキー選手の図。坂の上端と下端の高低差は1.8 m。

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

Exercise 39問題 39
A sled of mass 70 kg starts from rest and slides down a 10° incline 80m long. It then travels for 20 m horizontally before starting back up an 8° incline. It travels 80 m along this incline before coming to rest. What is the magnitude of the net work done on the sled by friction?
英語のヒント
質量70 kgのそりが、静止状態から傾斜角10°、長さ80mの斜面を滑り下りる。その後、水平に20 m進み、傾斜角8°の斜面を80 m上って止まる。摩擦がそりにした正味の仕事の大きさはいくらか。
Solution解き方
1900 J
Exercise 40問題 40
A girl on a skateboard (total mass of 40 kg) is moving at a speed of 10 m/s at the bottom of a long ramp. The ramp is inclined at 20° with respect to the horizontal. If she travels 14.2 m upward along the ramp before stopping, what is the net frictional force on her?
英語のヒント
スケートボードに乗った少女が、長い斜面のふもとで10 m/sで動いている。合計質量は40 kg、斜面と水平面のなす角は20°である。斜面に沿って14.2 m上って止まるなら、少女に働く正味の摩擦力はいくらか。
Exercise 41問題 41
A baseball of mass 0.25 kg is hit at home plate with a speed of 40 m/s. When it lands in a seat in the left-field bleachers a horizontal distance 120 m from home plate, it is moving at 30 m/s. If the ball lands 20 m above the spot where it was hit, how much work is done on it by air resistance?
英語のヒント
質量0.25 kgの野球のボールを、本塁で40 m/sの速さで打つ。水平方向に120 m離れた左翼外野席に、30 m/sで落ちる。着地点が打った位置より20 m高いとき、空気抵抗がボールにした仕事はいくらか。
Solution解き方
–39 J
−39 J
Exercise 42問題 42
A small block of mass m slides without friction around the loop-the-loop apparatus shown below. (a) If the block starts from rest at A, what is its speed at B? (b) What is the force of the track on the block at B?
英語のヒント
質量mの小物体が、下図の宙返り装置を摩擦なしに滑る。(a) Aで静止状態から出発すると、Bでの速さはいくらか。(b) Bでレールが物体に及ぼす力はいくらか。
半径Rのループをもつレール。始点Aはループ最下点から鉛直に4Rの高さにあり、物体がそこから滑る。Bはループの高さの中間にある。

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

Exercise 43問題 43
The massless spring of a spring gun has a force constant k=12N/m. When the gun is aimed vertically, a 15-g projectile is shot to a height of 0.50 m above the end of the expanded spring. (See below.) How much was the spring compressed initially?
英語のヒント
ばね式の発射装置に、質量を無視できる、ばね定数k=12N/mのばねがある。鉛直上向きに発射すると、質量15 gの弾は、伸びきったばねの端から0.50 mの高さまで上がる(下図)。初めにばねをどれだけ縮めたか。
上向きの発射装置の三つの図。左では、ばねが未知の距離dだけ縮み、その上に弾が載る。中央ではばねが伸び、弾はまだばねの上端にあり、速度vで上向きに動く。右では弾がばね上端より5.0 m高い位置で速度ゼロとなる。

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
0.12 m
Exercise 44問題 44
A small ball is tied to a string and set rotating with negligible friction in a vertical circle. If the ball moves over the top of the circle at its slowest possible speed (so that the tension in the string is negligible), what is the tension in the string at the bottom of the circle, assuming there is no additional energy added to the ball during rotation?
英語のヒント
糸につないだ小球を、摩擦を無視して鉛直な円に沿って回す。最高点を通る速さが可能な限り小さく、糸の張力を無視できるとき、最下点での張力はいくらか。回転中に球へ追加のエネルギーを加えないとする。
conserved quantity
保存量
one that cannot be created or destroyed, but may be transformed between different forms of itself
英語のヒント
作り出したり消したりはできないが、同じ量の異なる形の間で変換できるもの。
energy conservation
エネルギー保存
total energy of an isolated system is constant
英語のヒント
孤立系の全エネルギーは一定であること。
mechanical energy
力学的エネルギー
sum of the kinetic and potential energies
英語のヒント
運動エネルギーと位置エネルギーの和。