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速度に比例した空気抵抗があるときの鉛直方向に投射された物体の運動

ライターさん(最終更新日時:2013/6/7)投稿日:

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運動のイメージ.gif 図のように質量mの物体 が重力場の下で、速度に比例した抵抗を受けながら運動している。座標軸は上向きを正とする。打ち上げてからt秒後の速度は、初速に重力による加速度が加わったものとなる。
 このとき、下向きに重力-mg、運動方向と逆向きに空気抵抗-kv がが働くので次の運動方程式が成り立ちます.。 運動の数式.gif

 第1項と第2項は運動方程式の定石で、力Fは質量mと加速度a の積であることを現していまあす。第3項のdv/dt は微少時間における速度の変化を現し、これが加速度a を生みます。4項が物体に働く具体的な力でありこれを変形したのが5項です。3項と5項を使い時間t における速度v とそのときの位置y を求めます。

 

変数分離型微分方程式とするためにvを含む項をすべて左辺にまとめます。 運動の数式2.gif

 両辺をV 及びt  で積分します。 左辺のこの形の積分は、e を底とする対数で現せます。C は積分定数です。運動の数式3.gif

運動の数式4.gif 左辺を真数にし右辺は指数現します。  

 運動の数式5.gif t=0 における速度は、打ち上げ時の初速度v0ですのでこれを境界条件とし(1)式でy=y0t=0 を代入してe^cを求めます。 運動の数式6.gif

これを再び(1)式に代入して速度vが求まりました!!。運動の数式7.gif

 

 

次に距離yをもとめます。

 

(2)式を再度積分することで求めることができます。

このときも積分定数ができますが、境界条件としてt=0 におけるyは、発射する位置の高さy0 としいます。

運動の数式8.gif運動の数式9.gif運動の数式10.gifあ境界条件を(3)式に入れて求まった積分定数C を再び(3)式に 入れると、変位y の式が求まります。

 運動の数式11.gif

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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