基本問題4 速度の合成

川を上下する船の速度の合成

直感的理解
川の流れと同じ方向に進む(下り)なら速度は足し算、逆方向(上り)なら引き算。岸から見た速さは「船の静水時の速さ ± 流れの速さ」です。スライダーで流速を変えて確認してみましょう。

設定:静水時の船の速さ \(v_0 = 4.5\) m/s、川の流れの速さ \(v_{\text{流}} = 2.0\) m/s。

下流に向かうとき(流れに沿う):船の速度と流れの速度が同じ向きなので加算します。

$$ v_{\text{下り}} = v_0 + v_{\text{流}} = 4.5 + 2.0 = 6.5 \text{ m/s} $$

上流に向かうとき(流れに逆らう):船の速度と流れの速度が逆向きなので減算します。

$$ v_{\text{上り}} = v_0 - v_{\text{流}} = 4.5 - 2.0 = 2.5 \text{ m/s} $$

往復にかかる時間を求める場合、片道の距離を \(L\) とすると:

$$ t_{\text{往復}} = \frac{L}{v_{\text{下り}}} + \frac{L}{v_{\text{上り}}} = \frac{L}{6.5} + \frac{L}{2.5} $$
答え:
下流に向かうとき:\(6.5\) m/s
上流に向かうとき:\(2.5\) m/s
補足:流れに垂直に渡る場合の合成

船が川を垂直に横切る場合、船の速度 \(\vec{v}_0\) と流れの速度 \(\vec{v}_{\text{流}}\) は直交するため、ベクトルの合成にピタゴラスの定理を使います。

$$ v = \sqrt{v_0^2 + v_{\text{流}}^2} = \sqrt{4.5^2 + 2.0^2} = \sqrt{20.25 + 4.00} = \sqrt{24.25} \fallingdotseq 4.9 \text{ m/s} $$

流れによる偏角 \(\theta\) は:

$$ \tan\theta = \frac{v_{\text{流}}}{v_0} = \frac{2.0}{4.5} \fallingdotseq 0.44 \quad \Rightarrow \quad \theta \fallingdotseq 24° $$
Point

直線上の速度の合成:同方向なら加算、逆方向なら減算。\(v = v_0 \pm v_{\text{流}}\)。往復の平均速度は単純平均 \(\frac{v_{\text{下り}}+v_{\text{上り}}}{2}\) とは異なることに注意。