【問 4】図のように、水平な地面の上に、質量 77 で半径 の球が静止している。この球の重 心は球の中心とし、この球の中心を通る軸の周りの慣性モーメントは7とする。重力加速度 の大きさは sg、球と地面の間の静止摩擦係数は /。、動摩擦係数は とし、空気抵抗は無視 できるとする。球の中心を x-y 平面内に含むように、水平方向に x 軸、鉛直方向に y 軸を取 る。その後、図のように、x-y 平面内で、球の中心の高さから鉛直方向下向きに距離2 の位 置に、棒の先を突いて水平方向に大きさりの力積を球に与えた。9は0 <9<ヶ7の範囲の或る値である。球の重心速度の x 成分をvと表し、球の重心周りの角速度を 。 と表し、ャの正の向きは図の右向き、。 の正の向きは図の時計回りの向きとす る。棒から球に力を与えている間で、棒が球に与える平均の力の大きさが球が地面から受ける摩擦力の大きさよりはるかに 大きいとすると、棒から球に力を与え始める直前と与え終わった直後の間において、全運動量の変化と、重心周りの全角運 動量の変化を考えることにより、棒から球に力を与え終わった直後の を vp、o を oo として、/7p 一0=アより=ア//7、 7oop 一0=ー/g より の = ーア4/7 が成り立つ。棒が球に力を与え終わった直後の時刻を0 として、時刻r> 0 でのvとoの それぞれを時刻, の関数として求めよ。