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物理物理学習ガイド

【入試物理の思考地図】束縛条件(拘束条件)の実践的な整理

最終更新:

束縛条件(拘束条件)の立て方を,実践的なパターンで整理しました.力学の解法フローの「束縛条件」のテーマ別補足です.

面による束縛

  • 【一般論】
    「相対速度が接触面に平行」という事実を利用
  • 物体の座標を定義して,「位置の間の関係を時刻で微分していく」方法も有効

※ 接触を仮定して解いたら垂直抗力が負になった…というときは,その仮定が崩れている(面は物体を引けない).

講義図版:面による束縛

動く斜面・曲面・複数の接触面の例です.各画像を選ぶと元の大きさで開けます.

右向きに動く斜面上の物体について,物体と斜面の相対速度を斜面方向に分解した板書

動く斜面上の物体の速度成分から,相対速度が斜面に平行となる関係を導いた板書

水平移動する円弧状の面とその上の物体について,接線方向の相対速度と円の位置式を示した板書

水平に動く物体Aの斜面と鉛直に動く物体Bの接触を,相対速度と位置式の両方で表した板書

45度の斜面をもつ物体Aと上面の物体Bについて,二つの接触条件から速度成分の関係を導いた板書

糸による束縛

  • 【滑車がらみ】
    各物体の座標を定義し,「糸の長さを書き出して微分する」のが最もシンプル
    (相対速度・加速度に注目する方法もある)
  • 【糸や棒でつながれた2物体が距離一定で運動する場合】
    「相対運動が円運動になる」事実を利用
    (位置の関係を微分する方法もある)
  • 【非典型的な設定に出会って迷ったら…】
    いざとなったら「座標を置いて関係式を作って微分する」と考えておけば手が止まらないで済む

※ 糸がたるむ・伸びる場合は,長さ一定の条件は使えない.

講義図版:糸と滑車

座標を置いて糸の長さを書き出し,微分して加速度の関係を得る流れです.

糸による束縛を,滑車では糸の長さ一定,糸や棒の両端では相対的な円運動として整理した導入板書

位置が変わる滑車Pに掛けた糸の両端の物体AとBについて,二本の糸部分の長さから加速度関係を導いた板書

二つの定滑車と一つの動滑車Cを通る糸について,A・B・Cの座標と加速度関係を示した板書

定滑車と動く滑車Pを組み合わせた二本の糸について,A・B・C・Pの加速度関係を別々に立てた板書

二つの動滑車B・Cを一本の糸が順に回る装置で,各座標の係数を数えて長さ一定の式を立てた板書

二つの動滑車B・Cを含む糸の長さから,A・B・Cの加速度関係を確認している板書

講義図版:距離一定と非典型例

2点間の距離が一定のときの相対速度と,形が複雑でも糸の長さや位置の関係に戻って解く例です.

棒で結ばれた二点の相対速度が棒に垂直になることと,支点が動く振り子の速度成分を示した板書

円周上を動く点から円周上端までの弦と鉛直な糸部分について,全長一定から速度関係を導いた板書

水平移動する台と二本の等長な糸でつながれた点について,左右の位置関係から速度比を求めた非典型例の板書

水平移動する台と二本の糸でつながれた点について,それぞれの糸方向の速度条件を相対速度から導いた板書

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