時計の秒針
連続的に動く長さ
の時計の秒針(図の赤棒)の先端は等速円運動している点とみなせる.以下の問に答えよ(反時計回りの角を正とし,
はそのまま用いよ).
秒針の角速度
を求めよ(1秒間あたりに回る角).
解答
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解説
角速度は単位時間あたりに回転する角度のことを表している.秒針の周期
であり,今回は反時計回りの角を正としているため,負の符号をつけるのを忘れないようにすると,角速度は
と表されることがわかる.
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図のように座標軸をとり,秒針の回転の中心を原点とする.時刻
における秒針の先端の位置
を表す式を求めよ.ただし,
のとき,秒針は12時の方向を指しているとする.
解答
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解説
図のように,点
を中心とする半径rの円周上を一定の速さ
で運動する球を考える.平面の極座標
,
を用いて表すと,球の位置ベクトルより
--- [1]
と表せる.球は一定の速さで回転していることから,
を表す角速度
は
一定
--- [2]
であり,時刻
で回転角
として,式[2]
を時間で積分すると,
となる.したがって式[1]の成分は,
,
--- [3]
と表される.今回の場合,
,
であり,
のとき,秒針は12時の方向を指しているので,
を式[3]に代入すると,解答を導き出すことができる.
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秒針の先端の速度
,および加速度
を表す式を求めよ.
解答
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解説
秒針の先端の速度
の各成分は,
--- [4]
--- [5]
となる.一方,加速度
の各成分は,
--- [6]
--- [7]
となる.したがって,小問
同様,
,
,
を,式[4], [5], [6], [7]に代入すると,解答を導き出すことができる.
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秒針の先端の速さ
,および加速度の大きさ
を求めよ.
解答
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解説
小問
で導き出した速度の各成分より,大きさを求めると
であり,ここで,
とおくと,
となる.半径
,角速度
を代入すると,答えを求めることができる.
一方,加速度の大きさについては,上と同様に小問
で導き出した加速度の各成分より大きさを求めると,
であり,ここで,速さの場合と同様に
とおくと,
となる.半径
,角速度
を代入すると,答えを求めることができる.
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秒針の先端に質量
のおもりが付いている.時刻
において,このおもりに作用する向心力
(ベクトル量),及びその大きさを求めよ.
解答
向心力
向心力の大きさ
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解説
おもりに作用する力を求めることから,小問
で求めた加速度と質量
(
を
になおすと,
になる)を用いると,運動方程式より
と求めことができる.力の大きさは,
と求めることができる.
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2022年10月5日