先に学ぶ内容速度と位置を加速度から導く

平面の運動と放物線

同じ高さから、一方の球を横に投げ、もう一方をそっと放す。運動を横と縦に分け、床に着くまでの時間を調べる。

高さ⁠4.9 m⁠から一方を横に投げ、他方を同時に放す。先に床に着くのは?

式から現象を説明する

  1. 1位置を矢印で表すr=⁠(x, y)……
  2. 2位置の変化から速度を求めるv=⁠drdt=⁠(dxdt, dydt)……
  3. 3速度の変化から加速度を求めるa=⁠dvdt=⁠(dvxdt, dvydt)……
  4. 4運動方程式を横と縦に分けるm dvxdt = 0⁠,m dvydt = −mg……
  5. 5横に投げた球の速度を求めるvx = v₀⁠,vy = −g t……
  6. 6横に投げた球の位置を求めるx = v₀ t⁠,y = h − ½ g t²……
  7. 7水平投射の着地時刻を求めるt=⁠√(2hg)……
  8. 続いて、空気抵抗がある場合と、斜めに投げる場合を調べる
  9. 8空気の抵抗を入れるm dvdt=⁠m (0, −g)−⁠k |v| v……
  10. 9抵抗を横と縦に分けるm dvydt=⁠−m g−⁠k √(vx² + vy²) vy……
  11. 10空気抵抗を考えず、斜めに投げた球の位置を求めるx = v₀ cosθ t⁠,y = v₀ sinθ t − ½ g t²……
  12. 11時刻t⁠を消して軌道の式を求めるy=⁠tanθ x−⁠g x²2 v₀² cos²θ……
  13. 12同じ高さに戻るまでの水平距離を求めるR=⁠v₀² sin2θg……
  14. 13空気抵抗がある場合に、最も遠くまで飛ぶ角度を求めるθいちばん遠い≒⁠39.0°<⁠45°……