基本問題16 等加速度直線運動のグラフ

v-tグラフの作成と読み取り

直感的理解
v-tグラフ上で2つの直線を描くと、交点は「両者の速度が同じになる瞬間」。面積の比較で「どちらが多く進んだか」もわかります。加速する物体Aと減速する物体Bは必ずどこかで速度が一致します。

設定:物体Aは初速度 $0$、加速度 $\alpha_{\rm A} = 4$ m/s² で加速。物体Bは初速度 $v_0 = 20$ m/s、加速度 $\alpha_{\rm B} = -2$ m/s² で減速。

(1) 物体Aの加速度:

v-tグラフの傾きから:

$$\alpha_{\rm A} = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{20 - 0}{5 - 0} = \frac{20}{5} = 4 \text{ m/s}^2$$

(2) 物体Bの加速度:

$$\alpha_{\rm B} = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{0 - 20}{10 - 0} = \frac{-20}{10} = -2 \text{ m/s}^2$$

(負の値は減速を意味する)

(3) 両者の速度が等しくなる時刻:

$v_{\rm A}(t) = v_{\rm B}(t)$ より:

$$4t = 20 - 2t$$ $$6t = 20 \quad \Rightarrow \quad t = \frac{10}{3} \fallingdotseq 3.3 \text{ s}$$

このとき $v = 4 \times \dfrac{10}{3} = \dfrac{40}{3} \fallingdotseq 13$ m/s。

答え:
(1) $\alpha_{\rm A} = 4$ m/s²
(2) $\alpha_{\rm B} = -2$ m/s²
(3) $t = \dfrac{10}{3} \fallingdotseq 3.3$ s のとき速度 $\fallingdotseq 13$ m/s
Point

v-tグラフの交点:2つの物体の速度が一致する瞬間。$v_{\rm A}(t) = v_{\rm B}(t)$ の方程式を解く。面積の差は2物体間の距離を表す。

💡 補足:次元解析による検算

計算結果の単位が正しいか確認する習慣をつけましょう。速度なら [m/s]、加速度なら [m/s²] になるはずです。数式の両辺で単位が一致するか(次元解析)を確認すると、立式ミスを防げます。