教科書(物理) 問19:角速度と周期

解法

直感的理解

角速度は「1秒あたり何 rad 回るか」。回転角と時間がわかれば割り算するだけ。1回転 = \(2\pi\) rad なので、周期は \(2\pi\) を角速度で割れば求まる。

時間 \(t\) の間に角度 \(\theta\) だけ回転するとき、角速度は

$$ \omega = \frac{\theta}{t} $$

問題の条件から角速度を求め、周期 \(T = 2\pi/\omega\) を計算する。

たとえば \(t = 3.0\) s の間に \(2\pi\) rad(1回転)するなら:

数値例:質量 2.0 kg の物体が高さ 5.0 m から落下すると、位置エネルギーの減少は \(mgh = 2.0 \times 9.8 \times 5.0 = 98\) J。地面での速さは \(v = \sqrt{2gh} = \sqrt{2 \times 9.8 \times 5.0} = \sqrt{98} \fallingdotseq 9.9\) m/s です。

答え
$$ \omega = \frac{2\pi}{3.0} = \frac{2\pi}{3}\,\text{rad/s}, \quad T = \frac{2\pi}{\omega} = 3.0\,\text{s} $$
📐 補足:力学的エネルギー保存の条件

保存力(重力・弾性力)のみが仕事をする場合、力学的エネルギーは保存されます。摩擦力や空気抵抗などの非保存力が仕事をすると、その分だけ力学的エネルギーは減少し、熱エネルギーなどに変換されます。

Point

角速度 \(\omega\) の定義は「単位時間あたりの回転角」。周期 \(T\) は1回転(\(2\pi\) rad)に要する時間なので $$ T = 2\pi/\omega $$ 。この関係は等速円運動の基礎中の基礎。