第9章運動量と衝突
Additional Problems追加問題
Exercises 83–113練習問題 83–113
Exercise 83問題 83
Two 70-kg canoers paddle in a single, 50-kg canoe. Their paddling moves the canoe at 1.2 m/s with respect to the water, and the river they’re in flows at 4 m/s with respect to the land. What is their momentum with respect to the land?
英語のヒント
70 kgの2人が、質量50 kgの1艇のカヌーをこぐ。カヌーは水に対して1.2 m/sで進み、川は陸地に対して4 m/sで流れている。陸地に対する全体の運動量はいくらか。
Exercise 84問題 84
Which has a larger magnitude of momentum: a 3000-kg elephant moving at 40 km/h or a 60-kg cheetah moving at 112 km/h?
英語のヒント
40 km/hで動く3000 kgのゾウと、112 km/hで動く60 kgのチーターでは、どちらの運動量の大きさが大きいか。
Solution解き方
the elephant has a higher momentum
英語のヒント
ゾウの方が運動量は大きい。
Exercise 85問題 85
A driver applies the brakes and reduces the speed of her car by 20%, without changing the direction in which the car is moving. By how much does the car’s momentum change?
英語のヒント
運転者がブレーキをかけ、車の進行方向を変えずに速さを20%減らす。車の運動量はどれだけ変わるか。
Exercise 86問題 86
You friend claims that momentum is mass multiplied by velocity, so things with more mass have more momentum. Do you agree? Explain.
英語のヒント
友人が「運動量は質量に速度を掛けたものだから、質量が大きい物ほど運動量も大きい」と言う。賛成するか。説明せよ。
Solution解き方
Answers may vary. The first clause is true, but the second clause is not true in general because the velocity of an object with small mass may be large enough so that the momentum of the object is greater than that of a larger-mass object with a smaller velocity.
英語のヒント
答え方はさまざまである。最初の部分は正しいが、後半は一般には正しくない。小さな質量の物体でも速度が十分に大きければ、質量が大きく速度が小さい物体より運動量が大きくなることがあるからである。
Exercise 87問題 87
Dropping a glass on a cement floor is more likely to break the glass than if it is dropped from the same height on a grass lawn. Explain in terms of the impulse.
英語のヒント
コップをセメントの床に落とすと、同じ高さから芝生に落とすより割れやすい。力積を用いて説明せよ。
Exercise 88問題 88
Your 1500-kg sports car accelerates from 0 to 30 m/s in 10 s. What average force is exerted on it during this acceleration?
英語のヒント
1500 kgのスポーツカーが10 sで0から30 m/sへ加速する。この間、車に働く平均の力はいくらか。
Solution解き方
Exercise 89問題 89
A ball of mass is dropped. What is the formula for the impulse exerted on the ball from the instant it is dropped to an arbitrary time later? Ignore air resistance.
英語のヒント
質量のボールを落とす。放した瞬間から任意の時間後までにボールへ与えられる力積を表す式を求めよ。空気抵抗は無視する。
Exercise 90問題 90
Repeat the preceding problem, but including a drag force due to air of
英語のヒント
空気による抵抗力も含めて、前問を解き直せ。
Solution解き方
Exercise 91問題 91
A 5.0-g egg falls from a 90-cm-high counter onto the floor and breaks. What impulse is exerted by the floor on the egg?
英語のヒント
5.0 gの卵が高さ90 cmのカウンターから床へ落ち、割れる。床が卵に与える力積はいくらか。
Exercise 92問題 92
A car crashes into a large tree that does not move. The car goes from 30 m/s to 0 in 1.3 m. (a) What impulse is applied to the 70 kg driver by the seatbelt, assuming he follows the same motion as the car? (b) What is the average force applied to the driver by the seatbelt?
英語のヒント
自動車が、動かない大きな木に衝突する。車は1.3 m進む間に30 m/sから0へ減速する。(a) 70 kgの運転者が車と同じ動きをすると仮定して、シートベルトが運転者に与える力積はいくらか。(b) シートベルトが運転者に及ぼす平均の力はいくらか。
Solution解き方
a. , b.
a. 、b. 。
Exercise 93問題 93
Two hockey players approach each other head on, each traveling at the same speed . They collide and get tangled together, falling down and moving off at a speed . What is the ratio of their masses?
英語のヒント
2人のホッケー選手が同じ速さで正面から近づく。衝突してもつれ合い、倒れながら速さで動く。2人の質量の比はいくらか。
Exercise 94問題 94
You are coasting on your 10-kg bicycle at 15 m/s and a 5.0-g bug splatters on your helmet. The bug was initially moving at 2.0 m/s in the same direction as you. If your mass is 60 kg, (a) what is the initial momentum of you plus your bicycle? (b) What is the initial momentum of the bug? (c) What is your change in velocity due to the collision with the bug? (d) What would the change in velocity have been if the bug were traveling in the opposite direction?
英語のヒント
質量10 kgの自転車に乗り、15 m/sで惰性で進んでいると、5.0 gの虫がヘルメットにぶつかってつぶれる。虫は初め、自分と同じ向きに2.0 m/sで動いていた。自分の質量は60 kgである。(a) 自分と自転車の初めの運動量はいくらか。(b) 虫の初めの運動量はいくらか。(c) 虫との衝突によって自分の速度はどれだけ変わるか。(d) 虫が逆向きに飛んでいたなら、速度変化はいくらだったか。
Solution解き方
a. , b. , c. , d.
a. 、b. 、c. 、d. 。
Exercise 95問題 95
A load of gravel is dumped straight down into a 30 000-kg freight car coasting at 2.2 m/s on a straight section of a railroad. If the freight car’s speed after receiving the gravel is 1.5 m/s, what mass of gravel did it receive?
英語のヒント
直線の線路を惰性で2.2 m/sで進む30 000 kgの貨車に、砂利を真上から落とし込む。砂利を積んだ後の速さが1.5 m/sなら、積み込んだ砂利の質量はいくらか。
Exercise 96問題 96
Two carts on a straight track collide head on. The first cart was moving at 3.6 m/s in the positive x direction and the second was moving at 2.4 m/s in the opposite direction. After the collision, the second car continues moving in its initial direction of motion at 0.24 m/s. If the mass of the second car is 5.0 times that of the first, what is the final velocity of the first car?
英語のヒント
直線の軌道上で2台の台車が正面衝突する。1台目は+x方向へ3.6 m/s、2台目は逆向きに2.4 m/sで動いていた。衝突後、2台目は元の向きに0.24 m/sで進み続ける。2台目の質量が1台目の5.0倍なら、1台目の最終速度はいくらか。
Solution解き方
Exercise 97問題 97
A 100-kg astronaut finds himself separated from his spaceship by 10 m and moving away from the spaceship at 0.1 m/s. To get back to the spaceship, he throws a 10-kg tool bag away from the spaceship at 5.0 m/s. How long will he take to return to the spaceship?
英語のヒント
100 kgの宇宙飛行士が宇宙船から10 m離れ、さらに0.1 m/sで遠ざかっている。宇宙船へ戻るため、10 kgの工具袋を宇宙船から離れる向きへ5.0 m/sで投げる。宇宙船へ戻るのに、どれだけ時間がかかるか。
Exercise 98問題 98
Derive the equations giving the final speeds for two objects that collide elastically, with the mass of the objects being and and the initial speeds being and (i.e., second object is initially stationary).
英語のヒント
質量、の2物体が、初めの速さ、(第2の物体は初め静止)で弾性衝突するとき、両者の最終的な速さを与える式を導け。
Solution解き方
Exercise 99問題 99
Repeat the preceding problem for the case when the initial speed of the second object is nonzero.
英語のヒント
第2の物体の初めの速さがゼロでない場合について、前問を解き直せ。
Exercise 100問題 100
A child sleds down a hill and collides at 5.6 m/s into a stationary sled that is identical to his. The child is launched forward at the same speed, leaving behind the two sleds that lock together and slide forward more slowly. What is the speed of the two sleds after this collision?
英語のヒント
子どもがそりで丘を滑り下り、自分のそりと同じ静止したそりに5.6 m/sで衝突する。子どもは同じ速さで前方へ投げ出され、残った2台のそりはくっついて、よりゆっくり前へ滑る。衝突後の2台のそりの速さはいくらか。
Solution解き方
2.8 m/s
Exercise 101問題 101
For the preceding problem, find the final speed of each sled for the case of an elastic collision.
英語のヒント
前問の衝突が弾性衝突だった場合、各そりの最終的な速さを求めよ。
Exercise 102問題 102
A 90-kg football player jumps vertically into the air to catch a 0.50-kg football that is thrown essentially horizontally at him at 17 m/s. What is his horizontal speed after catching the ball?
英語のヒント
90 kgのフットボール選手が真上へ跳び、ほぼ水平に17 m/sで投げられた0.50 kgのボールを捕る。捕球後の水平方向の速さはいくらか。
Solution解き方
0.094 m/s
Exercise 103問題 103
Three skydivers are plummeting earthward. They are initially holding onto each other, but then push apart. Two skydivers of mass 70 and 80 kg gain horizontal velocities of 1.2 m/s east and 1.4 m/s southeast, respectively. What is the horizontal velocity of the third skydiver, whose mass is 55 kg?
英語のヒント
3人のスカイダイバーが地表へ急降下している。初めは互いにつかまり合っていたが、その後押し離れる。70 kgと80 kgの2人は、それぞれ東へ1.2 m/s、南東へ1.4 m/sの水平速度を得る。55 kgの3人目の水平速度はいくらか。
Exercise 104問題 104
Two billiard balls are at rest and touching each other on a pool table. The cue ball travels at 3.8 m/s along the line of symmetry between these balls and strikes them simultaneously. If the collision is elastic, what is the velocity of the three balls after the collision?
英語のヒント
ビリヤード台の上で2個の球が互いに接して静止している。手球が、この2個の球の間の対称軸に沿って3.8 m/sで進み、両方に同時に当たる。弾性衝突なら、衝突後の3個の球の速度はいくらか。
Solution解き方
final velocity of cue ball is , final velocities of the other two balls are 2.6 m/s at ±30° with respect to the initial velocity of the cue ball
英語のヒント
手球の最終速度は。残りの2個の球は、手球の初速度に対してそれぞれ±30°の方向へ、2.6 m/sで進む。
Exercise 105問題 105
A billiard ball traveling at collides with a wall that is aligned in the direction. Assuming the collision is elastic, what is the final velocity of the ball?
英語のヒント
で進むビリヤード球が、方向に沿う壁に衝突する。弾性衝突と仮定すると、球の最終速度はいくらか。
Exercise 106問題 106
Two identical billiard balls collide. The first one is initially traveling at and the second one at . Suppose they collide when the center of ball 1 is at the origin and the center of ball 2 is at the point where R is the radius of the balls. What is the final velocity of each ball?
英語のヒント
同じビリヤード球が2個衝突する。初め、球1は、球2はで進んでいる。衝突時、球1の中心が原点、球2の中心が点にあるとする。Rは球の半径である。各球の最終速度はいくらか。
Solution解き方
ball 1: , ball 2:
球1:、球2:。
Exercise 107問題 107
Repeat the preceding problem if the balls collide when the center of ball 1 is at the origin and the center of ball 2 is at the point .
英語のヒント
球1の中心が原点、球2の中心が点にあるときに衝突する場合について、前問を解き直せ。
Exercise 108問題 108
Repeat the preceding problem if the balls collide when the center of ball 1 is at the origin and the center of ball 2 is at the point
英語のヒント
球1の中心が原点、球2の中心が点にあるときに衝突する場合について、前問を解き直せ。
Solution解き方
ball 1: , ball 2:
球1:、球2:。
Exercise 109問題 109
Where is the center of mass of a semicircular wire of radius R that is centered on the origin, begins and ends on the x axis, and lies in the x,y plane?
英語のヒント
半径Rの半円形の針金が、原点を中心にxy平面内にあり、両端はx軸上にある。その質量中心はどこにあるか。
Exercise 110問題 110
Where is the center of mass of a slice of pizza that was cut into eight equal slices? Assume the origin is at the apex of the slice and measure angles with respect to an edge of the slice. The radius of the pizza is R.
英語のヒント
ピザを8等分した1切れの質量中心はどこにあるか。原点を切れ端の尖った頂点に置き、片方の辺を基準に角度を測る。ピザの半径はRである。
Solution解き方
Exercise 111問題 111
If 1% of the Earth’s mass were transferred to the Moon, how far would the center of mass of the Earth-Moon-population system move? The mass of the Earth is and that of the Moon is . The radius of the Moon’s orbit is about .
英語のヒント
地球の質量の1%を月へ移したなら、地球・月・移した人々からなる系の質量中心はどれだけ移動するか。地球の質量は、月の質量はである。月の軌道の半径は約とする。
Exercise 112問題 112
You friend wonders how a rocket continues to climb into the sky once it is sufficiently high above the surface of Earth so that its expelled gasses no longer push on the surface. How do you respond?
英語のヒント
友人が、ロケットが地表から十分に高く上がり、噴出した気体がもはや地表を押さなくなっても、なぜ上昇し続けられるのかと疑問に思っている。どう答えるか。
Solution解き方
Answers may vary. The rocket is propelled forward not by the gasses pushing against the surface of Earth, but by conservation of momentum. The momentum of the gas being expelled out the back of the rocket must be compensated by an increase in the forward momentum of the rocket.
英語のヒント
答え方はさまざまである。ロケットが前へ進むのは、気体が地表を押すからではなく、運動量保存による。後方へ噴出した気体の運動量は、ロケットの前向きの運動量の増加によって補償されなければならない。
Exercise 113問題 113
To increase the acceleration of a rocket, should you throw rocks out of the front window of the rocket or out of the back window?
英語のヒント
ロケットの加速度を増やすには、前の窓と後ろの窓のどちらから石を投げ捨てればよいか。