基本問題138 重心の運動

設問(1) 板の移動距離

直感的理解
人が板の上を右に歩くと、板は反作用で左にずれます。床がなめらかなので外力がなく、系の重心は動きません。人と板の移動距離の比は質量の逆比になります。

立式:板の長さを \(L\) とします。人が板に対して \(L\) だけ移動したとき、板の地面に対する移動距離を \(d\) とおきます。

人の地面に対する変位は \(L - d\)(板が \(d\) だけ逆にずれるので)、板の変位は \(-d\) です。

重心不動の条件(外力なし):

$$m(L - d) + M(-d) = 0$$

途中計算:展開すると

$$mL - md - Md = 0$$ $$mL = (m + M)d$$ $$d = \frac{mL}{m + M}$$
答え:
$$d = \frac{mL}{m + M}$$

(人の進行方向と逆向きに移動)

Point

外力ゼロの系では重心が動かない。この条件を \(m\Delta x_1 + M\Delta x_2 = 0\) と表して変位を求めます。

設問(2) 重心の位置の変化

直感的理解
重心の加速度は外力の合力に比例します。外力がゼロなら重心の加速度もゼロ。初め静止なら重心はずっと同じ位置に留まります。

理由:

重心に対する運動方程式は

$$(m + M) a_G = F_{\text{外}}$$

水平方向の外力 \(F_{\text{外}} = 0\)(床がなめらか)なので、\(a_G = 0\)。

初め静止していたので \(v_G = 0\) のまま。

答え:
重心の位置は変化しない(動かない)。
補足:反発係数との関係

反発係数 $e$ の定義は:

$$e = -\frac{v_1^{\prime} - v_2^{\prime}}{v_1 - v_2}$$

完全弾性衝突($e = 1$)では運動エネルギーも保存されます。

Point

重心の運動方程式 \(F_{\text{外}} = Ma_G\) は、系の内力(人と板の間の摩擦)には無関係。外力だけが重心の運動を決めます。

🧮 具体的な数値例

たとえば長さ \(L = 2.0\) m、質量 \(M = 10\) kg の一様な棒の端 A を支点とし、A から \(d = 1.5\) m の点に \(F = 30\) N の力を加える場合:

$$\text{棒の重力のモーメント:} M_1 = Mg \times \frac{L}{2} = 10 \times 9.8 \times 1.0 = 98 \text{ N·m}$$ $$\text{外力のモーメント:} M_2 = F \times d = 30 \times 1.5 = 45 \text{ N·m}$$