小学社会311439 views
中学社会669926 views
高校物理162168 views
いろは3023493 views
高校日本史190979 views
高校生物553035 views
高校国語789786 views
Computer369798 views
高校化学2932077 views
数学講師2909366 views
Help
Tools

English

斜方投射 - 最高点の高さ・水平到達距離・45 度で最大になる条件

斜めに投げ出された物体の運動は、水平方向と鉛直方向に分けて扱います。この つは互いに影響しない。

水平方向には力が働かないので、速度は変わりません。鉛直方向には重力だけが働くので、自由落下と同じ加速度になる。

水平方向

力が働かないため速度は一定。等速直線運動になり、時間に比例して進む

鉛直方向

重力だけが働くため加速度は で一定。投げ上げと同じ形で、速度は毎秒 ずつ減る

分けて考えてよいという性質が、この問題を解けるものにしている。

初速度を成分に分ける

初速度の大きさを 、水平からの角を とすると、成分は次のようになります。

角が大きいほど鉛直の成分が増え、水平の成分は減る。真上に投げれば水平成分は になる。

位置を時間で表す

水平は等速、鉛直は等加速度なので、位置の式がそのまま書けます。

速度のほうも同じように分かれる。

に が入っていません。水平の速さは、投げてから落ちるまで変わらない。

例:軌道上の点を出す

で 度の向きに投げた場合を計算する。、 を使う。

秒後の位置を出す。

秒後は 、 です。もうすぐ地面に届く。

軌道は放物線になる

の式を について解き、 の式に代入します。

の 次式です。放物線を描くという結論が、ここから出てくる。

次の項の係数が負なので、上に凸の形になる。 が大きいほど係数の絶対値が小さくなり、放物線はゆるやかに広がる。

最高点にかかる時間

最高点では鉛直の速度が になります。 を解けばよい。

このとき水平の速度は残ったままです。最高点でも物体は動いており、速度が になるわけではない。

最高点の高さ

を の式に入れると、最高点の高さが出ます。

角が 度に近いほど高く上がる。真上に投げたとき で最大になる。

例:最高点を出す

さきほどの 、 度の場合を計算する。

鉛直成分だけを で投げ上げた場合と同じ高さです。水平成分は高さに効かない。

滞空時間と水平到達距離

投げた高さへ戻るまでの時間は、最高点までの 倍です。上りと下りが対称になる。

この時間に水平方向が進んだ距離が、水平到達距離になります。

が出てくるところが要です。 をまとめた形になっている。

例:到達距離を出す

、 度なら を使う。

度で投げれば になります。

角度を変えるだけで 伸びる。初速度を変えなくても届く距離は変わります。

45 度で最大になる

の式で変えられるのは だけです。 が最大になるのは 、つまり のとき。

角度を上げすぎると、高く上がるかわりに水平成分が減る。下げすぎると、水平成分は稼げても滞空時間が足りない。

そのつり合いがちょうどとれる角が 度になる。空気の抵抗を無視した場合の話です。

同じ距離を与える 2 つの角

は と で同じ値をとります。つまり と が同じ距離を与える。

度と 度は、どちらも です。違うのは軌道の形と滞空時間のほう。

低い角度

滞空時間が短く、軌道は平たい。速く届くので、狙って当てる場面で使われる

高い角度

滞空時間が長く、軌道は山なり。障害物を越えるときに使われる

45 度

もっとも遠くへ届く。ただし空気の抵抗があると、最適な角度は 45 度より小さくなる

落ちてくるときの速さ

投げた高さへ戻ってきたとき、速さは初速度と同じ になります。鉛直成分の大きさが対称に戻るため。

向きだけが変わっている。上向き で投げれば、下向き で戻ってくる。

高さのある場所から投げる

崖の上から投げる場合は、 の原点を投げた位置にとります。地面は になる。

上りと下りの対称性は崩れる。落ちるほうが長くなるので、滞空時間は より大きくなる。

例:崖から水平に投げる

高さ の崖から、水平に で投げます。 なので鉛直の初速度は です。

落ちる時間は、自由落下と同じ式で出る。

崖から 離れた地点に落ちます。同じ高さから静かに落とした物体と、着地の時刻はぴったり同じになる。

水平と鉛直に分ける

鉛直だけで時間を出す

その時間を水平に掛ける

この順で解けば、たいていの問題は片づきます。時間が つの方向をつなぐ役をしている。

空気の抵抗があるとどうなるか

実際の物体では、軌道は放物線からずれます。水平の速度も落ちていくからです。

到達距離は短くなり、軌道は左右対称でなくなる。落ちる側のほうが急になります。

もっとも遠くへ届く角度も 度より小さくなる。野球やゴルフの打ち出し角が 度より低い理由も、この事情にある。

同じ高さから、同時に つの球を水平に投げ出し、もう つの球を静かに落としました。どちらが先に地面に着きますか。

  • 水平に投げたほうが先に着く
  • 静かに落としたほうが先に着く
  • 同時に着く
  • 初速度の大きさによって変わる
__RESULT__

鉛直方向の運動は、水平方向の速度に影響されません。どちらも初速度 の自由落下と同じ式に従うので、着地の時刻は同じです。違うのは落ちた地点だけになります。

水平方向には力が働かないので速度は一定、鉛直方向には重力だけが働いて自由落下と同じ。この $2$ つが混ざらないので、時間を橋にして解けます。$x$ の式から $t$ を消すと $2$ 次式になり、軌道が放物線だと分かる。到達距離は $R = \dfrac{v_0^2 \sin 2\theta}{g}$ で、$45$ 度で最大になります。$30$ 度と $60$ 度が同じ距離を与えるのも、この形から読めます。水平に投げた球と静かに落とした球が同時に着地する理由、空気の抵抗があると最適な角が $45$ 度より小さくなる話まで。