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k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.。
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。
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。
左辺を真数にし右辺は指数現します。
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=y0、t=0 を代入してe^cを求めます。
これを再び(1)式に代入して速度vが求まりました!!。
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。
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。