第15章振動
Challenge Problems発展問題
Exercises 68–73練習問題 68–73
Exercise 68問題 68
A suspension bridge oscillates with an effective force constant of . (a) How much energy is needed to make it oscillate with an amplitude of 0.100 m? (b) If soldiers march across the bridge with a cadence equal to the bridge’s natural frequency and impart of energy each second, how long does it take for the bridge’s oscillations to go from 0.100 m to 0.500 m amplitude.
英語のヒント
あるつり橋は、実効的な力の定数で振動する。(a) 振幅0.100 mで振動させるには、どれだけのエネルギーが必要か。(b) 兵士が橋の固有振動数と等しい歩調で行進し、毎秒のエネルギーを与える場合、振幅が0.100 mから0.500 mになるまで何秒かかるか。
Exercise 69問題 69
Near the top of the Citigroup Center building in New York City, there is an object with mass of on springs that have adjustable force constants. Its function is to dampen wind-driven oscillations of the building by oscillating at the same frequency as the building is being driven—the driving force is transferred to the object, which oscillates instead of the entire building. (a) What effective force constant should the springs have to make the object oscillate with a period of 2.00 s? (b) What energy is stored in the springs for a 2.00-m displacement from equilibrium?
英語のヒント
ニューヨーク市のシティグループ・センターの上部付近には、力の定数を調節できるばねで支えた質量の物体がある。風によって建物が駆動されるのと同じ振動数で振動し、建物の揺れを減衰させる。駆動力をその物体へ移すことで、建物全体の代わりに物体が振動する。(a) この物体を周期2.00 sで振動させるには、ばねの実効的な力の定数をいくらにすればよいか。(b) つり合いからの変位が2.00 mのとき、ばねに蓄えられるエネルギーはいくらか。
Solution解き方
a. ; b.
a. ;b.
Exercise 70問題 70
Parcels of air (small volumes of air) in a stable atmosphere (where the temperature increases with height) can oscillate up and down, due to the restoring force provided by the buoyancy of the air parcel. The frequency of the oscillations are a measure of the stability of the atmosphere. Assuming that the acceleration of an air parcel can be modeled as , prove that is a solution, where N is known as the Brunt-Väisälä frequency. Note that in a stable atmosphere, the density decreases with height and parcel oscillates up and down.
英語のヒント
高さとともに温度が上がる安定な大気では、空気塊、すなわち小体積の空気が、浮力による復元力によって上下に振動できる。その振動数は大気の安定性の尺度となる。空気塊の加速度をと表せるとして、が解となることを証明せよ。Nはブラント=バイサラ振動数と呼ばれる。安定な大気では、高度とともに密度が減り、空気塊が上下することに注意せよ。
Exercise 71問題 71
Consider the van der Waals potential , used to model the potential energy function of two molecules, where the minimum potential is at . Find the force as a function of r. Consider a small displacement and use the binomial theorem:
英語のヒント
二つの分子の位置エネルギー関数を表す、ファンデルワールス・ポテンシャルを考える。位置エネルギーはで最小となる。力をrの関数として求めよ。小さな変位を考え、次の二項定理を使って、
,
to show that the force does approximate a Hooke’s law force.
英語のヒント
この力が、フックの法則の力で近似できることを示せ。
Solution解き方
Exercise 72問題 72
Suppose the length of a clock’s pendulum is changed by 1.000%, exactly at noon one day. What time will the clock read 24.00 hours later, assuming it the pendulum has kept perfect time before the change? Note that there are two answers, and perform the calculation to four-digit precision.
英語のヒント
ある日の正午ちょうどに、時計の振り子の長さを1.000%変えた。変更前は正確だったとして、24.00時間後に時計は何時を示すか。答えは二つあることに注意し、4桁の精度で計算せよ。
Exercise 73問題 73
(a) The springs of a pickup truck act like a single spring with a force constant of . By how much will the truck be depressed by its maximum load of 1000 kg? (b) If the pickup truck has four identical springs, what is the force constant of each?
英語のヒント
(a) ピックアップトラックのばね全体を、力の定数の1本のばねとして扱う。最大荷重1000 kgを積むと、車体はどれだけ沈むか。(b) 同じばねが4本ある場合、1本当たりの力の定数はいくらか。
Solution解き方
a. 7.54 cm; b.
a. 7.54 cm;b.
resonance
共振
large amplitude oscillations in a system produced by a small amplitude driving force, which has a frequency equal to the natural frequency
英語のヒント
固有振動数と等しい振動数の、小振幅の駆動力によって、系に生じる大振幅の振動。