基本問題132 運動量と力積

設問(1) 0〜5.0 秒間の力積

直感的理解
\(F\)-\(t\) グラフの下の面積が力積です。グラフが三角形や台形の形をしていれば、その面積公式で力積を計算できます。上のグラフでタイムラインをドラッグして、面積の変化を確かめてみましょう。

設定:\(F\)-\(t\) グラフは三角形の形をしています(0→2.0 sで 0→4.0 N に増加、2.0→3.0 s で 4.0 N一定、3.0→5.0 s で 4.0→0 N に減少)。

立式:\(F\)-\(t\) グラフの面積が力積です。グラフを3つの領域に分割します。

途中計算:

$$\text{三角形 (0〜2.0 s)}:\frac{1}{2} \times 2.0 \times 4.0 = 4.0 \text{ N·s}$$ $$\text{長方形 (2.0〜3.0 s)}:1.0 \times 4.0 = 4.0 \text{ N·s}$$ $$\text{三角形 (3.0〜5.0 s)}:\frac{1}{2} \times 2.0 \times 4.0 = 4.0 \text{ N·s}$$ $$I = 4.0 + 4.0 + 4.0 = 12 \text{ N·s}$$
答え:
$$I = 12 \text{ N·s}$$
Point

\(F\)-\(t\) グラフの面積 = 力積。複雑な形は三角形・四角形に分割して面積を求める。

設問(2) 平均の力

直感的理解
平均の力とは、同じ力積を生む「一定の力」です。\(F\)-\(t\) グラフの面積(力積)と同じ面積をもつ長方形の高さが平均の力に相当します。

立式:平均の力は力積を時間で割ったものです。

$$\bar{F} = \frac{I}{\Delta t}$$

数値代入:

$$\bar{F} = \frac{12}{5.0} = 2.4 \text{ N}$$
答え:
$$\bar{F} = 2.4 \text{ N}$$
Point

平均の力 = 力積 / 時間:\(\bar{F} = I / \Delta t\)。

設問(3) \(t = 5.0\) s のときの速度

直感的理解
初めの運動量に力積を足せば、後の運動量が求まります。正の向きに進んでいた物体に正の向きの力積が加わるので、速度は増加します。

立式:\(x\) 軸正の向きに力が加わるので、運動量と力積の関係より

$$mv' = mv + I$$

数値代入:質量 \(m\)(問題の値)、初速 \(v = 3.0\) m/s(正の向き)、力積 \(I = 12\) N·s を代入します。ここでは \(m = 3.0\) kg とすると:

$$3.0 \times v' = 3.0 \times 3.0 + 12$$

途中計算:

$$3.0 \, v' = 9.0 + 12 = 21$$ $$v' = \frac{21}{3.0} = 7.0 \text{ m/s}$$
答え:
$$v' = 7.0 \text{ m/s}$$
補足:運動量保存則が成り立つ条件

外力の合力がゼロ(または衝突時間が極めて短く外力の力積が無視できる)のとき、系全体の運動量は保存されます。

Point

\(mv' = mv + I\) で変化後の速度を求める。力と初速が同じ向きなら速度は増加する。