基本問題25 鉛直投げ下ろし

設問(1) 地面に達するまでの時間 $t$

直感的理解
鉛直投げ下ろしは自由落下に初速度がついた運動です。初速があるぶん自由落下より早く地面に達します。$y = v_0 t + \frac{1}{2}gt^2$ は $t$ の2次方程式なので、解の公式を使って正の解を選びます。

設定:下向きを正とし、$v_0 = 9.0\;\mathrm{m/s}$、$g = 9.8\;\mathrm{m/s^2}$、$y = 39.2\;\mathrm{m}$。

立式:$y = v_0 t + \frac{1}{2}gt^2$

数値代入:

$$39.2 = 9.0\,t + \frac{1}{2} \times 9.8 \times t^2$$ $$39.2 = 9.0\,t + 4.9\,t^2$$

整理すると:

$$4.9\,t^2 + 9.0\,t - 39.2 = 0$$

解の公式:

$$t = \frac{-9.0 \pm \sqrt{9.0^2 + 4 \times 4.9 \times 39.2}}{2 \times 4.9}$$ $$= \frac{-9.0 \pm \sqrt{81 + 768.32}}{9.8}$$ $$= \frac{-9.0 \pm \sqrt{849.32}}{9.8} = \frac{-9.0 \pm 29.14}{9.8}$$

$t > 0$ より:

$$t = \frac{-9.0 + 29.14}{9.8} = \frac{20.14}{9.8} \fallingdotseq 2.1\;\mathrm{s}$$
答え:
$$t \fallingdotseq 2.1\;\mathrm{s}$$
Point

$y = v_0 t + \frac{1}{2}gt^2$ を $t$ について解くと2次方程式になる。$t > 0$ の解を選ぶこと。

設問(2) 地面に達する直前の速さ $v$

直感的理解
$v^2 = v_0^2 + 2gy$ を使えば時間を求めなくても速さがわかります。初速度がある分、自由落下よりも速い速さで地面に到達します。

立式:$v^2 = v_0^2 + 2gy$

数値代入:

$$v^2 = 9.0^2 + 2 \times 9.8 \times 39.2$$

途中計算:

$$v^2 = 81 + 768.32 = 849.32$$ $$v = \sqrt{849.32} \fallingdotseq 29.1\;\mathrm{m/s}$$

有効数字2桁に丸めると:

$$v \fallingdotseq 29\;\mathrm{m/s}$$
答え:
$$v \fallingdotseq 29\;\mathrm{m/s}$$
別解:$v = v_0 + gt$ を使う方法

(1) で $t \fallingdotseq 2.1\;\mathrm{s}$ を求めたので:

$$v = 9 + 9.8 \times 2.1 = 9 + 20.58 \fallingdotseq 30\;\mathrm{m/s}$$

(丸め方の違いで若干異なるが、有効数字2桁で整合する)

Point

鉛直投げ下ろしでは $v^2 = v_0^2 + 2gy$ で時間を経由せず速さを求められる。初速がある分、自由落下 $v = \sqrt{2gy}$ よりも速い。