運動量保存則についてしつもんです
質量3M の 物体と mをのせたMが衝突します
右からmをのせたMがはやさVで左側から衝突してくるとします
mとMの間には摩擦がはたらきます
このとき、
左正 (M+m)V=(M+m)V1 + 3MV2
としてはいけないのはなぜなのでしょうか?理由を教えてください!
左正なのは、そっちのほうがわかりやすいかとおもって勝手に設定しました。
そのあたりの解釈は問題ないのですが、
回答では
左正
MV=3MV1+MV2 としているのです
なぜ
(M+m)V=(M+m)V1 + 3MV2
でだめなのかわかりません。
よろしくお願いします!
A 回答 (4件)
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No.4
- 回答日時:
どこで出た問題でしょうか。
高校の物理だとしたら設定に無理があります。
摩擦がないとした問題であればMとmの運動を分離して考えるというのは素直にできると思いますが摩擦があるとしています。
運動量保存則は衝突時間の大小、質量の大小に関係なく成り立つものです。
M>mなんてどこにも書いてありません。
衝突時間についての仮定もどこにも書いてありません。
動摩擦力が働くのであれば静止摩擦力も働くはずです。
運動量変化は力積(力の累積値)で決まりますが、静止摩擦力との釣り合いは力の最大値で決まります。
力積の値が同じであっても動く場合と動かない場合があります。動かない場合は質量がM+mになります。
摩擦力の衝突への影響は無視できるというのは一般的に成り立つことではありません。
内部摩擦はエネルギーロスを生じますから非弾性衝突の原因になるメカニズムです。
重い荷物を乗せた軽い台車であれば摩擦係数が極端に大きくなくても衝突に影響が出てくるだろうと思います。
摩擦があっても衝突には影響してこないという場面を前提にしているのであれば断り書きが必要です。何も書いてなければそういう前提で考えてもいいはずだというのは無理な注文です。
どういう条件があれば衝突と摩擦とを分離して考えることができるかを考察することはそれだけで1つの問題になるような内容のものです。大学生でも出来るとは限らないのではないでしょうか。
ダルマ落としというゲームがあります。
ハンマーでのたたき方(力の加え方)によって上のだるまの動き方が異なります。
上のだるまがmです。ハンマーの当たるだるまがMです。
ハンマーとダルマとの衝突はいつでも瞬間的に起こっているとしていいというのであればダルマ落としで失敗ということは起こらなくなるでしょう。いつでも起こることではないからこそ上手くやるためには技術が必要なのです。上のだるまの質量が変われば同じたたき方ではだめになるでしょう。
この問題では何の仮定も書かれていない一般式として示されています。一般的に成り立つとしているということになります。
「いい問題だ」なんて思いません。
s
No.3
- 回答日時:
運動量保存則を使って計算する場合は、衝突の前後だけ考えればよくて、衝突中に何が起きたかは無視できます。
で、mは摩擦を受けてMとも3Mとも違う速度で動き出すはずですから
(M+m)V=M*V1+3M*V2+m*V3 ・・・・(1)
と書くのが基本になります。
模範解答が、
M*V=M*V1+3M*V2 ・・・・(2)
としているとなると、(1)式に V=V3 の条件を当てはめると(2)になりますから、mは摩擦の影響を受けずに初めの速度のままで移動を続ける。つまり摩擦ゼロとして考えていることになります。
また、初めに書いたように、衝突の前後だけ考えればよいので、、(1)式に V1=V3 の条件を当てはめると、
(M+m)V=(M+m)*V1+3M*V2 ・・・・(3)
になります。これはmは少し滑る(かもしれない)けれど、最終的にMの上に乗ったままMと一緒に移動する場合です。
No.2
- 回答日時:
mの速度がV1になるというのは,およそ考えられないことです。
短時間の衝突時間のうちにMの台車は急激に速度を変えます。すなわち,大変大きな「撃力」による加速度を受けるわけです。すると,慣性によってmがMの右端にとどまることはありそうにありません。つまり,mは台車の上をただちにすべりだすでしょう。このとき,台車Mがmから受ける動摩擦力は衝突時の撃力に比べれば微々たるものです。微小な衝突時間に受ける摩擦力からの力積はほとんど無視できます。その上で,出てくるのが解答の式です。
画像はAlgodooによるシミュレーションですが,摩擦力の効果は衝突後から効いてきます。
No.1
- 回答日時:
こんにちは。
この問題は、なかなかよい問題だと思います。
mとMの間に摩擦力があっても、摩擦力が無限大(mとMが結合)でなければ、衝突直後(衝突からゼロ秒)のmとMの運動量には関係がありません。
衝突が起こってからmがMの上を滑り始め、そこで初めて摩擦の影響が出てきます。
よって、3Mとの衝突のお相手はMだけです。
運動量保存の式は、左向きを正とすれば、
衝突直前 = 衝突直後
0 + MV + mV = 3MV1 + MV2 + mV
つまり、
MV = 3MV1 + MV2
となります。
(V1は、負の値になります。)
もしも、mがMと一体化(結合)をしていれば、
0 + (M+m)V = 3MV1 + (M+m)V2
となって、あなたが考えた式と同じ形になりますけどね。
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