加速度、速度、距離、時間の関係式について教えて下さい。
本文では以下の記号を用います。
加速度:a
速度:v
距離:x
時間:t
・小学校の時などには「はじきの法則」で習う場合。
x = v・t ・・・式(1)
(距離=速度×時間)
・高校物理で微分積分を用いる場合。
加速度の定義
a = dv/dt
v = a・t + c (c:積分定数) ・・・式(2)
(速度=加速度×時間)
速度の定義
v = dx/dt ・・・式(3)
x = v・t + c (c:積分定数) ・・・式(4)( = 式(1))
式(3)に式(2)を代入して積分すると、
a・t = dx/dt
x = (1/2)・a・t^2 + c (c:積分定数) ・・・式(5)
しかし、「はじきの法則」(式(1))の印象が強いため、
式(1)に式(2)を代入した、下記の式と勘違いするのですが・・・・。
x = a・t^2 + c (c:積分定数) ・・・式(6)
式(6)が誤っている理由の解説をお願いします。
No.3ベストアンサー
- 回答日時:
結論からいうと式(1)は等速の場合しか使えません。
等速でない、つまり加速度が0でない場合に式(1)を使うことが間違っています。
式(2)もこれが成り立つのは一定の加速度の場合のみです。
速度とは、二点間を移動するときに、移動距離を移動にかかった時間で割ったものです。
より正しくはこれは平均の速度で、移動距離や移動時間を無限小にしたものが瞬間の速度(単に速度)です。
さてこの平均の速度を考えてみましょう。
時刻tにx(t)にあったものがΔtだけ時刻が経過したときにx(t+Δt)にあったとすると平均の速度は
v(t) = [ x(t+Δt) - x(t) ] / Δt
これを書き換えて
x(t+Δt) = x(t) + v(t) Δt
移動時間Δtが十分に短い時間であれば、これがいつでも成り立ちます。
そこで、微小時間Δtの間隔に分割して時刻0から考えていくと、
x(Δt) = x(0) + v(0) Δt
x(2Δt) = x(Δt) + v(Δt) Δt
x(3Δt) = x(2Δt) + v(2Δt) Δt
x(4Δt) = x(3Δt) + v(3Δt) Δt
・・・・・
x([n-1]Δt) = x([n-2]Δt) + v([n-2]Δt) Δt
x(nΔt) = x([n-1]Δt) + v([n-1]Δt) Δt
このときに、一般にはvが時刻によって変っていくのがミソで、
上のすべての式で同じvを使えません。
これを全部加えるとx(iΔt)の部分がx(0)とx(nΔt)を残して全て消えて
x(nΔt) = x(0) + Σ[i=1,n] v([i-1]Δt) Δt
速度が時間によって変らない場合、つまり加速度が0であればv([i-1]Δt)を定数vとできるので
x(nΔt) = x(0) + Σ[i=1,n] v Δt = x(0) + v nΔt
ここで移動距離なのでx(0)=0とし、t=nΔtと書けば式(1)が出てきます。
つまり、式(1)は等速の場合しか使えません。
加速度が0ではなく速度が式(2)で与えられる場合
v([i-1]Δt) = a・[i-1]Δt + c
なので
x(nΔt) = x(0) + Σ[i=1,n] v([i-1]Δt) Δt = x(0) + { Σ[i=1,n] [i-1] } aΔt^2 + c nΔt
ここにある和は
Σ[i=1,n] [i-1] =n(n-1)/2 ~ n^2/2 (n >> 1の場合)
となるので
x(nΔt) = x(0) + (1/2) a(nΔt)^2 + c (nΔt)
前同様にx(0)=0、t = nΔtとして
x(t) = (1/2) a t^2 + ct
になります。(式(6)、間違ってますね。)
これから、tを一定にする条件でΔt→0、n→∞の極限を取ったものが積分です。
x(t) = (1/2) a t^2 + ct
上記の式のおける ct の部分が
小学校の時の「はじきの法則」における
"速さ(初速)×時間"だったんですね。
やっと理解できいました。
回答ありがとうございます。
No.2
- 回答日時:
こんにちは。
まず、積分。
dv/dt = a
v = ∫adt = a∫dt = at + C1 ・・・(あ)
t=0 のときのvを「初速」と置けば、
初速 = a×0 + C1
初速 = C1
よって(あ)は、
v = at + 初速
x = ∫vdt = ∫at + 初速 dt
= a∫tdt + 初速∫dt
= 1/2・at^2 + 初速×t + C2 ・・・(い)
t=0 のときのxを「最初の位置」と置けば、
最初の位置 = 1/2・a×0^2 + 初速×0 + C2
最初の位置 = C2
よって(い)は、
x = 1/2・at^2 + 初速×t + 最初の位置
--------------------------------
では、逆に微分。
速度v = dx/dt = d/dt(1/2・at^2 + 初速×t + 最初の位置)
= at + 初速
加速度 = dv/dt = d/dt(at + 初速)
= a
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