基本問題176 等速円運動と単振動

等速円運動と単振動の対応

直感的理解
等速円運動を真横から見ると、物体は中心を挟んで行ったり来たりしているように見えます。この往復運動こそが単振動です。円の半径が振幅 $A$、回転の角速度が角振動数 $\omega$ に対応します。

各空欄の解答:

物体 P が $x$ 軸上に投影された運動を単振動(ア)という。

時間 $t$ の回転角 $\angle \mathrm{POP_0}$ は $\omega t$(イ)。

P の速度は円の接線方向で大きさは $A\omega$(ウ)。

加速度は円の中心向きに大きさ $A\omega^2$(エ)である。

Q の運動は P の運動を $x$ 軸上に投影したものなので:

Q の速さが最大なのは図の点 O(ク、振動中心)で最大値は $A\omega$(ケ)。

加速度の大きさが最大なのは点 P$_1$, P$_5$(コ、両端)で最大値は $A\omega^2$(サ)。

Q の振幅は $A$(シ)、周期は $\dfrac{2\pi}{\omega}$(ス)と表される。

答え:
ア:単振動 イ:$\omega t$ ウ:$A\omega$ エ:$A\omega^2$
オ:$A\sin\omega t$ カ:$A\omega\cos\omega t$ キ:$-\omega^2 x$
ク:O(振動中心) ケ:$A\omega$ コ:P$_1$, P$_5$(両端) サ:$A\omega^2$
シ:$A$ ス:$\dfrac{2\pi}{\omega}$
補足:単振動のエネルギー保存

単振動では運動エネルギーと弾性エネルギーの和が一定に保たれます。

$$\frac{1}{2}mv^2 + \frac{1}{2}kx^2 = \frac{1}{2}kA^2$$
Point

等速円運動の正射影が単振動。振幅 $A$・角振動数 $\omega$ で $x = A\sin\omega t$、$v = A\omega\cos\omega t$、$a = -\omega^2 x$。速度最大は振動中心、加速度最大は両端。

🧮 数値計算で確認

質量 \(m = 3.0\) kg の物体に \(F = 12\) N の力を加えると:

$$a = \frac{F}{m} = \frac{12}{3.0} = 4.0 \text{ m/s}^2$$ $$t = 2.0 \text{ s 後: } v = at = 4.0 \times 2.0 = 8.0 \text{ m/s}$$ $$x = \frac{1}{2}at^2 = \frac{1}{2} \times 4.0 \times 4.0 = 8.0 \text{ m}$$