ふり子の速さ

一般小学生

まとめ

【定義】
ふり子の運動において、おもりが移動する速さは位置エネルギーと運動エネルギーの転換によって決まり、振らし始める高さやふり子の長さに対して特定の規則性(平方根の法則)を持つ。

まとめ

ふり子の最下点における速さは、振らし始める高さが4倍、9倍になると、それぞれ2倍、3倍になる。これはエネルギー保存の法則に基づき、速さが高さの平方根に比例するためである。

また、ふり子の長さと周期(1往復の時間)の間にも同様の規則性が存在し、長さが4倍になれば周期は2倍に、長さが9倍になれば周期は3倍になる。

運動の方向については、円弧上のどの点においても、その点における接線の方向を向いている。

解説

ふり子の運動では、高い位置にあるおもりが持つ「位置エネルギー」が、落下するにつれて「運動エネルギー」へと変換される。そのため、おもりの速さは最も低い位置である最下点で最大となる。

このとき、速さと高さの関係には平方根の法則が働く。例えば、基準となる高さ$a$から振らした場合の最下点の速さを1とすると、高さが4倍($4a$)になれば速さは2倍になり、高さが9倍($9a$)になれば速さは3倍になる。これは、運動エネルギー($ rac{1}{2}mv^2$)が高さ($h$)に比例することに由来する。

ふり子の周期についても、おもりの重さや振れ幅に関わらず、ふり子の長さによって決定される。長さが25cmで周期が1.0秒のふり子を基準とした場合、長さが100cm(4倍)になれば周期は2.0秒(2倍)になり、長さが400cm(16倍)になれば周期は4.0秒(4倍)になる。

特殊な例として、支点の真下に釘を打ち、スイングの途中でふり子の長さが変化する場合がある。このときの周期は、それぞれの長さにおける周期の平均値として計算できる。例えば、周期2秒の長さと周期1.4秒の長さが組み合わさった場合、1往復の時間は(2.0+1.4)÷ 2 = 1.7秒となる。

補足
ふり子の運動の向きは、常に円軌道の接線方向を指す。振らし始めた瞬間から最下点を経て反対側へ到達するまで、速度ベクトルの向きは刻一刻と変化し続ける。

小学生のみなさんへ

ふり子のおもりが動く速さには、とてもおもしろい決まりがあります。おもりをはなす「高さ」を4倍にすると、一番下のところを通る「速さ」は2倍になります。高さが9倍になると、速さは3倍になります。

また、ふり子の「長さ」と、1往復にかかる「時間(しゅうき)」にも同じような決まりがあります。ふり子の長さを4倍にすると、1往復の時間は2倍になります。長さが9倍になれば、時間は3倍になります。

このように、長さや高さが「4倍、9倍」になると、時間や速さが「2倍、3倍」になるというルールを覚えておきましょう。

ふり子が動く向きは、円を描くようなカーブの線に沿った方向を向いています。また、途中にクギがあってふり子の長さが変わる場合は、それぞれの長さで計算した時間の平均が、1往復にかかる時間になります。

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