発展例題 24 ばね振り子の力学的エネルギー 図のように、天井に固定された軽いばねに質量mのおも りをつるしたところ, ばねが自然の長さから x だけ伸びた 点0で静止した。 おもりを下に引き, 点0からばねがαだ け伸びた点Aで静かに放した。 重力加速度の大きさをg と する｡ 隠れる位置でのばねの伸びはいくら Sh (1) このばねのばね定数はいくらか。( (2) おもりが点Oを通過するときの速さはいくらか。 大樹 く (3) おもりが達する最高点の 点Oからの高さはいくらか。 六 解答 (1) ばね定数をんとすると, 点0での力のつりあいから、 kxo-mg=0 よって k=mg 水平面上に置き、 ば XO HACCIONETICO (2) 点Oを重力による位置エネルギーの基準とする。 点0 でのお www. もりの速さをvとすると,点Aと点0での力学的エネルギーは 責 等しいから, 2 -kd²= BUHA JOELLO 14 考え方 弾性力と重力による運動力学的エネルギーが保存される。 E=K+U=一定 tem 1 0+ (-mga) +k(xo+a)² = mv² +0+kxo²b 2 2 ①.②から 1/2/ka a>xo g -mv² よって, v=a 000000000 m 2 (3) 最高点では速さは0になる。 最高点の点0からの高さをxと すると,点Aと最高点での力学的エネルギーは等しいから 0+(-mga) +1/12k (x+a)^2=0+mgx+ /12k (x-xa)^③ 自然の長さ F0000000000 9①, ③ から 1/2/ka2=1/12/1kx² よって, x=4⑤) 夫婦 - a A---- 0<x<xの場合: ばねの伸びは xo-x For xx の場合: 自動ばねの縮みはx-xo 最高点の位置xが g =a どちらの場合でも, 弾性力による位置エ ネルギーは (8) 1/2k -k(x−xo)² 000000000 ↑ 補足 (3) 点0 をおもりの変位 xの原点とし, 鉛直上 向きを正の向きとする。 このとき,自然の長さ である。 の位置はx=x x=α-t 2