問題7 速度の合成

速度の合成(岸と船の運動)

直感的理解
船の上で歩く人の「岸から見た速度」は、船の速度と人の(船に対する)速度のベクトル和です。同じ方向に歩けば足し算、逆方向なら引き算、直角方向なら三平方の定理です。

設定:岸に平行に $1.6$ m/s で進む船。船上の人A, B, Cが甲板上を $2.1$ m/s で歩く。

(1) 船の進行方向と同じ向き(Aの場合)

同じ方向なので速度の合成は足し算です:

$$ v_A = v_{\text{船}} + v_{\text{人}} = 1.6 + 2.1 = 3.7\;\text{m/s(船の進行方向)} $$

(2) 船の進行方向と逆向き(Bの場合)

逆方向なので引き算です:

$$ v_B = v_{\text{人}} - v_{\text{船}} = 2.1 - 1.6 = 0.5\;\text{m/s} $$

人の歩く速さ $>$ 船の速さなので、岸から見ると船の進行方向と逆向きに $0.5$ m/s で進みます。

(3) 岸に対して直角方向に歩くとき(Cの場合)

船の進行方向と人の歩く方向が直角なので、三平方の定理を使います:

$$ v_C = \sqrt{v_{\text{船}}^2 + v_{\text{人}}^2} = \sqrt{1.6^2 + 2.1^2} = \sqrt{2.56 + 4.41} = \sqrt{6.97} \fallingdotseq 2.64\;\text{m/s} $$

$1.8$ 秒間の移動距離:

$$ d = v_C \times t = 2.64 \times 1.8 \fallingdotseq 4.7\;\text{m} $$
答え:
(1) $3.7$ m/s(船の進行方向)
(2) 船の進行方向と逆に $0.5$ m/s
(3) 約 $4.7$ m
補足:方向別の速度合成

同方向なら足し算、逆方向なら引き算、直交方向なら $\sqrt{v_1^2 + v_2^2}$。岸から見た人の速度は、船の速度ベクトルと人の(船上での)速度ベクトルの合成です。

Point

方向別の速度合成:同方向→足し算、逆方向→引き算、直角→$\sqrt{v_1^2 + v_2^2}$。船と人のどちらの視点かを明確にすること。