水平直線に沿って移動する質量 m = 4 kg の質点を考えます。移動に対する抵抗力が R = 0.8v に等しい場合、何時間後に点の速度が 10 分の 1 に減少するかを決定する必要があります。
ニュートンの第 2 法則を使用します。
$$ F = $$ で
ここで、F は物質点に作用する力、m はその質量、および点の加速度です。
動きに対する抵抗力 R は、速度 v で表すことができます。
$$ R = 0.8v $$
このとき、質点の運動方程式は次の形式になります。
$$ m\frac{dv}{dt} = -R $$
ここで、 t は動きの開始からの経過時間です。
この式を R に置き換えると、次のようになります。
$$ m\frac{dv}{dt} = -0,8v $$
方程式の両辺を m で割って変数を移動すると、次のようになります。
$$ \frac{dv}{v} = -\frac{0,8}{m}dt $$
この方程式を初速度 v0 から速度 v まで時間 t にわたって積分してみましょう。
$$ \int_{v_0}^v \frac{dv}{v} = -\frac{0,8}{m} \int_0^t dt $$
統合後、以下が得られます。
$$ \ln\frac{v}{v_0} = -\frac{0,8}{m}t $$
V を v0 で表現してみます。
$$ v = v_0e^{ -\frac{0,8}{m}t} $$
これで、ポイントの速度が 10 倍に減少するまでの時間を見つけることができます。これを行うには、v の代わりに値 v0/10 を方程式 v = v0e^(-0.8t/m) に代入します。
$$ \frac{v_0}{10} = v_0e^{ -\frac{0,8}{m}t} $$
両辺を v0 で割って自然対数をとると、次のようになります。
$$ \ln\frac{1}{10} = -\frac{0,8}{m}t $$
ここから:
$$ t = \frac{m}{0,8} \ln 10 \およそ 11,5 \text{ сек} $$
したがって、11.5 秒後、動きに対する抵抗力が 0.8v に等しいため、質点の速度は 10 分の 1 に減少します。
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Kepe O.? のコレクションからの問題 13.2.25 の解決策。質量 4 kg の物質点が水平直線に沿って移動する速度が、与えられた運動抵抗力 R = 0.8v で 10 分の 1 に減少するまでの時間を決定することから成ります。
この問題では、ニュートンの第 2 法則 F = ma を使用できます。ここで、F は物質点に作用する力、m はその質量、a は加速度です。運動エネルギーの変化の法則 ΔK = K2 - K1 = W を使用することもできます。ここで、K1 と K2 はそれぞれ物質点の初期運動エネルギーと最終運動エネルギー、W は動きに対する抵抗力によって行われる仕事です。
まず、質点の加速度を決定する必要があります。ニュートンの第 2 法則 F = ma から、a = F/m が得られます。問題の条件によれば、移動に対する抵抗力は R = 0.8v に等しくなります。ここで、v は質点の速度です。したがって、a = 0.8v/m となります。
次に、物質点の速度が 10 倍に減少する時間を決定する必要があります。質点の初速度を v0 、最終速度を v とします。次に、運動エネルギーの変化の法則 ΔK = K2 - K1 = W から、次のことが得られます。
m(v^2 - v0^2)/2 = -RWt、
ここで、t は時間、W = -RWt は動きに対する抵抗力によって行われる仕事です。
速度が 10 倍に低下するには、v = v0/10 である必要があります。この値を上記の方程式に代入して t について解くと、次のようになります。
t = (m/8R) * ln(10)
値 m = 4 kg および R = 0.8v/m を式に代入すると、次のようになります。
t ≈ 11.5 秒
したがって、問題に対する答えは、11.5 秒後、水平直線に沿って移動する質量 4 kg の物質点の速度は、移動に対する一定の力 R = 0.8v で 10 分の 1 に減少します。
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