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横に投げても落ちる時間は変わらない(高校物理の水平投射)

机の端から 個のボールを水平にはじき、同じ瞬間にもう 個を真下へ落とします。床に当たる音は 回しか聞こえません。

強くはじいても弱くはじいても同じです。落ちるのにかかる時間は、机の高さだけで決まります[1]

初速はこの式に入っていません。水平に投げた速さは、どこへ落ちるかを変えるだけで、いつ落ちるかを変えない。

横と縦は口を出し合わない

水平投射を扱うときは、運動を 方向に分けます[2]

水平方向には力がはたらきません。だから速度は初速のまま変わらない。

鉛直方向には重力だけがはたらきます。こちらは初速 の自由落下と同じです。

つの式に共通するのは時刻 だけ。 の式に は出てこないし、 の式に は出てきません。

この独立性が、冒頭の実験の答えです。横向きの速さをいくら変えても、 の式には触れられない。

例:高さ 20 m から秒速 15 m で投げる

まず時間を出します。 とおいて について解く。

この 秒を水平の式に入れると、着地点までの距離が出ます。

秒速 で投げたなら 、秒速 なら 。時間はどれも 秒のままです。

順序が大事で、先に時間を出してから水平へ持っていく。この向きで解けば、水平投射の問題はほとんど片づきます。

高さから落下時間を出す

その時間を水平の式へ入れる

水平到達距離が決まる

軌道は放物線になる

本の式から を消すと、軌道そのものの式が出ます。 を代入する。

乗に比例して下がる形なので、放物線です[2]。頂点は投げ出した点そのもの。

が大きいほど の係数が小さくなり、放物線が横へ引き伸ばされます。速く投げるほど平べったい弧を描く。

高さ 、秒速 なら です。

着地の速さと向き

水平の速さは最後まで のまま。鉛直の速さは で増え続けます。

秒のとき つを合成します。

速度が水平となす角は から 。投げ出したときは で、落ちるにつれて立っていきます。

エネルギーで確かめると 。同じ値になりました。

速度の水平成分

投げた瞬間から着地まで変わらない。 のまま

速度の鉛直成分

から始まり で増える。着地では

例:落ちる的をねらう

木にぶら下がった的をまっすぐねらって撃ちます。撃った瞬間に、的が手を離して落ち始める。

外れそうに思えますが、当たります。弾も的も同じ だけ落ちるためです[2]

重力がなければ、弾はねらった直線の上を進んで的に当たったはず。実際には両方が同じだけ下へずれるので、ずれた先で出会います。

弾の速さは当たるかどうかに関係しません。速さが変えるのは、どの高さで当たるかだけ。遅い弾なら低いところで、速い弾なら高いところで出会います。

ただし的が地面に着く前に届く必要があります。遅すぎると、出会う前に的が着地してしまう。

この的当ての話は、重力が両方に同じだけはたらくことだけを使っています。

だから月でも成り立つし、 の値を知らなくても当たると言い切れる。

空気抵抗があると崩れる

ここまでの式は空気抵抗を無視しています。実際には水平の速さも落ちていくので、到達距離は計算より短くなる[3]

崩れ方は物体で違います。鉄球のように重くて小さいものでは、数十メートルの落下ならほとんど影響がありません。

紙や発泡スチロールでは最初から合いません。抵抗が重力に対して大きいためです。

同時着地の実験も、軽いものでやると崩れます。水平に投げた側のほうが速さが大きく、そのぶん抵抗も大きくなって、鉛直方向の落ち方まで変わってしまう。

つまずきやすいところ

水平に強く投げれば落ちるまでの時間が延びると考える。時間は高さだけで決まります。
速度の水平成分が途中で減ると考える。水平方向に力がないので変わりません。
着地の速さを のどちらか一方で答える。 成分を合成します。
軌道の頂点を途中にとる。水平投射では、投げ出した点が頂点になります。
時間を先に出さずに水平から解こうとする。 の式だけでは が決まりません。

横と縦を切り離す。この一手で、 次元の運動が知っている つの運動の重ね合わせになります。

高さ の崖から、水平に秒速 で石を投げます。着地までにかかる時間はいくらですか。

__RESULT__

時間は高さだけで決まるので 秒です。秒速 という値は、水平到達距離 を出すときに使います。

参考

4.4: Projectile Motion/Book%3A_University_Physics_I_-_Mechanics_Sound_Oscillations_and_Waves_(OpenStax)/04%3A_Motion_in_Two_and_Three_Dimensions/4.04%3A_Projectile_Motion). University Physics I, OpenStax / Physics LibreTexts.
Trajectories. HyperPhysics, Department of Physics and Astronomy, Georgia State University.
Jimmy Roussel. *Problèmes de chute*. Femto-Physique, cours de mécanique classique.
机の端から 1 個を水平にはじき、同じ瞬間にもう 1 個を真下へ落とすと、床に当たる音は 1 回しか聞こえません。落下時間は高さだけで決まり、初速は式に入っていないため。水平は等速、鉛直は自由落下で、2 本の式が共有しているのは時刻だけです。だから先に時間を出し、それを水平の式へ入れれば到達距離が決まる。軌道が放物線になる理由、着地の速さを 2 成分の合成でもエネルギーでも出せること、落ちる的をまっすぐねらって当たる理由まで。