教科書(物理基礎) 例題18:力学的エネルギー保存則

解法

条件:ばね定数 25 N/m、縮み 0.50 m、質量 1.0 kg。

ばね定数 \(k = 25\,\text{N/m}\)、縮み \(x_0 = 0.50\,\text{m}\) のとき、ばねから離れた物体(質量 \(m = 1.0\,\text{kg}\))の速さを求めます。

点 A(ばねが縮んだ状態)と点 B(ばねの自然の長さの位置)で力学的エネルギー保存則を立てます。

$$\frac{1}{2}kx_0^2 + 0 = 0 + \frac{1}{2}mv^2$$ $$v = \sqrt{\frac{k}{m}}x_0 = \sqrt{\frac{25}{1.0}} \times 0.50 = 5.0 \times 0.50 = 2.5\,\text{m/s}$$

単位の確認:$\sqrt{k/m}$ の単位は $\sqrt{\text{N/m}/\text{kg}} = \sqrt{\text{kg·m/s}^2/(\text{m·kg})} = \text{s}^{-1}$ なので、$\sqrt{k/m} \cdot x_0$ の単位は $\text{s}^{-1} \cdot \text{m} = \text{m/s}$ で正しい。

弾性エネルギーの確認:

$$U = \frac{1}{2}kx_0^2 = \frac{1}{2} \times 25 \times 0.50^2 = \frac{1}{2} \times 25 \times 0.25 = 3.125\,\text{J}$$ $$K = \frac{1}{2}mv^2 = \frac{1}{2} \times 1.0 \times 2.5^2 = 3.125\,\text{J} \quad \checkmark$$
📐 縮みが異なる場合の比較

縮みを $x_0 = 0.30\,\text{m}$ に変えると $v = 5.0 \times 0.30 = 1.5\,\text{m/s}$、$x_0 = 1.0\,\text{m}$ なら $v = 5.0\,\text{m/s}$ です。速さは縮みに比例します($v \propto x_0$)。

答え:
$$v = \sqrt{\frac{k}{m}}\,x_0 = 2.5\,\text{m/s}$$