教科書(物理) 問20:等速円運動の基本量

解法

直感的理解

1回転に4秒かかる。その間に半径0.40 mの円周 \(2\pi \times 0.40 \fallingdotseq 2.51\) m を進むので、速さは \(2.51/4.0 \fallingdotseq 0.63\) m/s。回転数→周期→角速度→速さの順で計算するのが定石。

半径 \(r = 0.40\) m の円周上を1分間に15回転する等速円運動。

Step 1:周期 \(T\)

1分間(60秒)に15回転するから:

$$ T = \frac{60}{15} = 4.0 \text{ s} $$

Step 2:角速度 \(\omega\)

$$ \omega = \frac{2\pi}{T} = \frac{2\pi}{4.0} = \frac{\pi}{2} \fallingdotseq 1.57 \text{ rad/s} $$

Step 3:速さ \(v\)

$$ v = r\omega = 0.40 \times \frac{\pi}{2} = 0.20\pi \fallingdotseq 0.63 \text{ m/s} $$

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
$$ T = 4.0\,\text{s}, \quad \omega = \frac{\pi}{2}\,\text{rad/s} \fallingdotseq 1.57\,\text{rad/s}, \quad v \fallingdotseq 0.63\,\text{m/s} $$
📐 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

等速円運動の基本関係:\(T = 2\pi/\omega\)、\(v = r\omega\)。回転数 \(n\)(1秒あたり)が与えられたら \(T = 1/n\)、\(\omega = 2\pi n\)。「1分間に○回転」なら、まず1秒あたりに直す。