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直線運動と落下運動md aabeae9
lecture/physics/mechanics/直線運動と落下運動-講義.n.md
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直線運動ちょくせんうんどう落下運動らっかうんどう

date2026-04-25description位置・速度・加速度を三段に分けて等加速度運動の公式を導出し、自由落下・投げ上げ・投げ下ろしで符号規約と時間消去の使い分けを整理する。prerequisites力のつり合いと運動の法則 / 微分法の基本 / 積分法の基本type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/力のつり合いと運動の法則-講義.n.md / data/lecture/physics/mechanics/円運動と単振動-講義.n.md / data/exercise/physics/mechanics/直線運動と落下-基本演習.n.md / data/reference/physics/mechanics/運動方程式の立式-定石集.n.md
physicsmechanicslecture

導入どうにゅう

このページの核心かくしんは、位置いち速度そくど加速度かそくど別々べつべつりょうとして区別くべつし、加速度かそくどから速度そくど速度そくどから位置いちすす三段さんだん構造こうぞうくずさないことである。等加速度運動とうかそくどううんどう三公式さんこうしき便利べんりであるが、公式こうしき暗記あんきだけでは符号ふごうミス、原点げんてんミス、時間じかん消去しょうきょ使つかけの失敗しっぱいこりやすい。したがって、このページでは公式こうしき紹介しょうかいにとどめず、じく設定せってい微分びぶん関係かんけい積分せきぶんによる導出どうしゅつ代表例だいひょうれいじゅん整理せいりする。

このページでけるようになること

  • 等加速度運動とうかそくどううんどう三公式さんこうしき導出どうしゅつ
  • 自由落下じゆうらっか鉛直えんちょくげ、鉛直えんちょくろしの符号ふごう整理せいり
  • 時間じかんふくしきと、時間じかん消去しょうきょしたしき使つか
  • x-tv-ta-t グラフの

なにくページか

本線ほんせんは 1 次元じげん等加速度運動とうかそくどううんどうである。したがってあつか標準形ひょうじゅんけい

a=const

である。ここから

ax,vx,rx

三段さんだんじゅんう。

方針ほうしん

このページで最初さいしょおこなうべきことは、しきまえじくめることである。落下らっか問題もんだいでは、上向うわむきをせいにしても下向したむきをせいにしてもよい。ただし、いったんめたら

  • 位置いち x
  • 速度そくど v
  • 加速度かそくど a

のすべてをその符号ふごう規約きやく統一とういつする必要ひつようがある。そのうえで

ax=dvxdt,vx=drxdt

使つかって、axvxrxじゅんすすむ。

まずじくめる

落下運動らっかうんどうもっと重要じゅうようなのは、g符号ふごう問題もんだいごとに暗記あんきしないことである。さき正方向せいほうこうめ、それにわせて

  • 上向うわむきをせいにしたなら a=-g
  • 下向したむきをせいにしたなら a=+g

く。したがって、gつねせい定数ていすうとしてち、符号ふごう加速度かそくど aまえける。

用語ようご定義ていぎ

位置いちPosition速度そくどVelocity加速度かそくどAcceleration

vx=drxdt,ax=dvxdt

である。位置いち rx は「どこにいるか」、速度そくど vx は「どちらへどれだけはやうごくか」、加速度かそくど ax は「速度そくどがどうわるか」をあらわす。

速度そくどはやさの区別くべつ

速度そくど符号ふごうつきであり、はやさはそのおおきさである。たとえば上向うわむきをせいにしたげでは、落下中らっかちゅう速度そくどでありえても、はやさはせいである。

等加速度運動とうかそくどううんどうUniformly accelerated motion

加速度かそくど時間じかんによらず一定いっていである運動うんどうである。地表ちひょうちかくで空気抵抗くうきていこう無視した落下らっかはその代表例だいひょうれいである。

導出どうしゅつまたは基本式きほんしき

1. 速度そくどしき

a=const積分せきぶんすると

v=v0+at

る。

2. 位置いちしき

さらに v=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dfrac\")")]dxdt積分せきぶんすると

x=x0+v0t+12at2

る。

3. 時間じかん消去しょうきょしたしき

v=v0+at から t=[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"dfrac\")")]v-v0a消去しょうきょすると

v2-v02=2a(x-x0)

る。このしきは、時間じかん使つかいたくないときにえらしきである。

三段さんだんセットで整理せいりする

等加速度運動とうかそくどううんどうでは、かならつぎ三段さんだん整理せいりするとくずれにくい。

\begin{cases} a_x=a v_x=v_0+at r_x=x_0+v_0t+\frac{1}{2} at^2 \end{cases}

問題もんだいごとにわるのは、a符号ふごうv0x0 のみである。

グラフでのかた

a-t グラフ

等加速度運動とうかそくどううんどうでは水平線すいへいせんになる。あたいそのものが加速度かそくどであり、面積めんせき速度そくど変化量へんかりょう

adt=v-v0

あたえる。

v-t グラフ

かたむきが加速度かそくどである。面積めんせき変位へんい

vdt=x-x0

あたえる。

x-t グラフ

かたむきが速度そくどであり、曲率きょくりつきが加速度かそくど符号ふごう対応たいおうする。等加速度運動とうかそくどううんどうでは放物線ほうぶつせんになる。

具体例ぐたいてきれい 1: 自由落下じゆうらっか

上向うわむきをせいとし、初速度しょそくど 0初期位置しょきいち y0 からとす。このとき

a=-g,v0=0

であるから

v=-gt

y=y0-12gt2

となる。

具体例ぐたいてきれい 2: 鉛直えんちょく

上向うわむきをせいとし、初速度しょそくど v0>0げる。

a=-g

より

v=v0-gt,y=y0+v0t-12gt2

最高点さいこうてんでは v=0 であるから

tmax=v0g

る。さらに時間じかん消去しょうきょしたしきから

0-v02=2(-g)(ymax-y0)

ゆえに

ymax-y0=v022g

る。

具体例ぐたいてきれい 3: 鉛直えんちょくろし

上向うわむきをせいとし、下向したむきにはやuろすなら

v0=-u,a=-g

である。したがって

v=-(u+gt)

となる。ここで速度そくどだからといって、はやさがになるわけではない。はやさは u+gt である。

みっつの代表例だいひょうれい比較ひかく

場面ばめん初速度しょそくど加速度かそくど速度そくどしき
自由落下じゆうらっか0-gv=-gt
鉛直えんちょく+v0-gv=v0-gt
鉛直えんちょくろし-u-gv=-(u+gt)

このひょうからかるとおり、ちがいの本質ほんしつ初速度しょそくどだけであり、重力加速度じゅうりょくかそくどあつかいは共通きょうつうである。

見分みわかた

  • 時間じかん tあたえられる、または時刻じこくもとめたい → v=v0+atx=x0+v0t+12at2
  • 時間じかん使つかわず位置いち速度そくど直接ちょくせつむすびたい → v2-v02=2a(x-x0)
  • 最高点さいこうてん折返おりかえてんる → まず v=0使つか

初期条件しょきじょうけんかた

等加速度運動とうかそくどううんどう最初さいしょめるのは、x0v0a の 3 つである。

りょう意味いみかた
x0時刻じこく t=0位置いち原点げんてんをどこにくかでまる
v0時刻じこく t=0速度そくど正方向せいほうこうおなじならせいぎゃくなら
a加速度かそくどちから重力じゅうりょくきから符号ふごうつきでめる

途中とちゅう時刻じこくあたらしい t=0なおしてもよい。ただし、その瞬間しゅんかん位置いち速度そくどあたらしい x0v0 としてなお必要ひつようがある。

時間じかん原点げんてんなおれい

鉛直えんちょくげで最高点さいこうてんから落下らっかかんがえるとき、げた瞬間しゅんかんt=0 にしたままでもよいが、最高点さいこうてんあたらしい t=0なおすとしき簡単かんたんになる。

最高点さいこうてんでは v0=0 であり、上向うわむきをせいにすれば

y=ymax-12gt2,v=-gt

ける。おな運動うんどうべつ時刻原点じこくげんてんているだけなので、物理ぶつりわらない。わるのは x0v0t名前なまえだけである。

グラフからしき問題もんだい

v-t グラフがあたえられたとき、かたむきは加速度かそくど面積めんせき変位へんいである。直線ちょくせんのグラフなら等加速度運動とうかそくどううんどうであり、面積めんせき台形だいけいとして計算けいさんできる。

x-x0=v0+v2t

これは等加速度運動とうかそくどううんどう平均速度へいきんそくど

v¯=v0+v2

使つかったしきである。公式こうしきとしておぼえるより、v-t グラフの面積めんせき理解りかいすると、途中とちゅう速度そくどになる問題もんだいでも符号ふごうあつかいやすい。

相対運動そうたいうんどう見方みかた

2 つの物体ぶったい A、B の間隔かんかくいつき時刻じこく問題もんだいでは、相対位置そうたいいち

xrel=xA-xB

使つかうと整理せいりしやすい。相対速度そうたいそくど相対加速度そうたいかそくど

vrel=vA-vB,arel=aA-aB

である。いつく条件じょうけんxrel=0もっと接近せっきんする条件じょうけんvrel=0判断はんだんできる。おな加速度かそくどうごく 2 物体ぶったいなら arel=0 となり、相対運動そうたいうんどう等速運動とうそくうんどうになる。

どこまでつか

  • 三公式さんこうしきa=const のときにかぎって成立せいりつする
  • 空気抵抗くうきていこう無視むしできないときは、加速度かそくど一定いっていでなくなる
  • ここであつかっているのは 1 次元じげん運動うんどうであり、平面へいめん運動うんどうでは各成分かくせいぶん独立どくりつあつか必要ひつようがある

よくあるあやま

  • g符号ふごう問題もんだいごとに暗記あんきし、じく設定せっていはなしてしまう
  • 速度そくどはやさを混同こんどうする
  • v2-v02=2a(x-x0) を、時間じかんもとめる問題もんだい無理むり使つか
  • 原点げんてん正方向せいほうこう途中とちゅうえてしき全体ぜんたいこわ

まとめ

等加速度運動とうかそくどううんどう三公式さんこうしきは、加速度かそくどから速度そくど速度そくどから位置いちすす積分せきぶん結果けっかである。落下らっか問題もんだいでは、じくさきめ、その符号ふごう規約きやくのもとで三段さんだんセット

ax,vx,rx

くずさずに使つかうことがもっと重要じゅうようである。

つぎむべきページ

data/lecture/physics/mechanics/斜面・摩擦・ばねの力学-講義.n.md data/exercise/physics/mechanics/直線運動と落下-基本演習.n.md

じくきと符号ふごう固定こていする

直線運動ちょくせんうんどうでは、しきてるまえせいきをめる。上向うわむきをせいにすれば重力加速度じゅうりょくかそくど-g下向したむきをせいにすれば +g である。どちらをえらんでもよいが、途中とちゅうえてはいけない。

速度そくどになることは、運動うんどう不可能ふかのうという意味いみではない。めたせいきとぎゃくすすんでいるという意味いみである。変位へんい速度そくど加速度かそくど符号ふごうおなじくむと、かえしや最高点さいこうてんあつかいが安定あんていする。

文字式もじしき単位たんい

直線運動ちょくせんうんどうでは、位置いち x[m;L]変位へんい Δx[m;L]速度そくど v[m/s;LT-1]加速度かそくど a[m/s2;LT-2]時刻じこく t[s;T]使つかう。初期値しょきちおな単位たんいで、x0[m;L]v0[m/s;LT-1] である。

等加速度運動とうかそくどううんどうしき

x=x0+v0t+12at2

では、x[m;L]x0[m;L]v0t[m;L]12at2[m;L] となり、右辺うへん各項かくこうがすべてながさの単位たんいをもつ。速度そくどしきでも、v[m/s;LT-1]v0[m/s;LT-1]at[m/s;LT-1] でそろう。

境界条件きょうかいじょうけんから運動うんどうめる

等加速度運動とうかそくどうんどうでは、公式こうしきおぼえるよりも、境界条件きょうかいじょうけんをどの時刻じこくくかが重要じゅうようである。時刻じこく t=0[s;T]x=x0[m;L]v=v0[m/s;LT-1]加速度かそくど a[m/s2;LT-2]一定いっていなら、

x=x0+v0t+12at2

ける。落下らっかでは a=-g[m/s2;LT-2]くか、下向したむきをせいにして a=g[m/s2;LT-2]くかを最初さいしょ固定こていする。どちらをえらんでも、位置いち各項かくこう[m] でそろっていればしきかたち破綻はたんしていない。

直線運動ちょくせんうんどうでは、公式こうしきえらぶよりさきに、かっている境界条件きょうかいじょうけん整理せいりする。時刻じこく t[s;T]位置いち x[m;L]速度そくど v[m/s;LT-1]加速度かそくど a[m/s2;LT-2] のうち、どれが初期しょき終状態しゅうじょうたいあたえられているかをひょうにする。

かっているもの使つかいやすいしき理由りゆう
時間じかん t[s;T]v=v0+at速度そくど変化へんか直接ちょくせつえる
変位へんい (x-x0)[m;L]v2-v02=2a(x-x0)時間じかんせる
最高点さいこうてんv=0かえしの条件じょうけんになる
いつく瞬間しゅんかんxA=xB2 物体ぶったい位置いち一致いっちする

未知数みちすうおおいときほど、しきやすのではなく、不要ふようりょうふくまないしきえらぶ。時間じかんわれていないなら、時間じかんふくまないしき使つかうほうがみじかい。

極限きょくげん結果けっか検算けんざんする

みちびいたしきは、特殊とくしゅあたいれてこわれないかを確認かくにんする。たとえば

x=x0+v0t+12at2

t=0[s;T] とすると x=x0[m;L] になり、初期条件しょきじょうけんもどる。a=0[m/s2;LT-2] とすると等速直線運動とうそくちょくせんうんどう x=x0+v0t[m;L] になる。落下らっかしきなら g[m/s2;LT-2] を 0 にちかづけたとき、重力じゅうりょくなしの運動うんどうもどるはずである。

直線運動ちょくせんうんどうしき使つかったあと、極端きょくたん場合ばあいにしてこたえが自然しぜんかを確認かくにんするとよい。たとえば加速度かそくど a[m/s2;LT-2]0[m/s2;LT-2] にすると、等加速度運動とうかそくどううんどうしき等速運動とうそくうんどうもどる。

x=x0+v0t+12at2x=x0+v0t(a=0)

また、時間じかん t[s;T]0[s;T] にすると、x=x0[m;L]v=v0[m/s;LT-1] にならなければならない。初期条件しょきじょうけんれたときに最初さいしょ状態じょうたいもどらないしきは、符号ふごう原点げんてんかた間違まちがえている可能性かのうせいたかい。

落下運動らっかうんどうこたえのかた

鉛直方向えんちょくほうこう運動うんどうでは、こたえの符号ふごうきをあらわす。上向うわむきをせいにしたなら、速度そくど v[m/s;LT-1]であることは、物体ぶったい下向したむきにうごいていることを意味いみする。はやさは |v|[m/s;LT-1] であり、速度そくどとは区別くべつする。

最高点さいこうてんでは v=0[m/s;LT-1] だが、加速度かそくどは 0 ではない。重力じゅうりょくはたらいているかぎり、加速度かそくど下向したむきに g[m/s2;LT-2] である。このてん混同こんどうすると、かえしの運動うんどうあやまって静止せいしんでしまう。

主要文字式しゅようもじしき単位たんい確認かくにん

位置いち x[m;L]初期位置しょきいち x0[m;L]変位へんい Δx[m;L] は、すべてながさの単位たんいをもつ。時刻じこく t[s;T]時間差じかんさ Δt[s;T]時間じかんである。速度そくど v[m/s;LT-1]初速度しょそくど v0[m/s;LT-1]加速度かそくど a[m/s2;LT-2]重力加速度じゅうりょくかそくど g[m/s2;LT-2]区別くべつする。

等加速度運動とうかそくどううんどうx=x0+v0t+12at2 では、x0[m;L]v0t[m;L]12at2[m;L]単位たんいがそろう。v=v0+at では、v0[m/s;LT-1]at[m/s;LT-1]おな単位たんいである。

数式内すうしきないでの単位たんい明示めいじ

等加速度運動とうかそくどううんどう基本式きほんしき
x=x0+v0t+12at2
である。各項かくこう単位たんいは、すべてながさでそろう。

未知数表みちすうひょうつく

直線運動ちょくせんうんどう問題もんだいでは、しきまえx[m;L]v[m/s;LT-1]a[m/s2;LT-2]t[s;T]ひょうつくるとよい。初期しょき終状態しゅうじょうたいけて、かっているあたい未知みちあたいれる。

たとえばげでは、最高点さいこうてんv=0[m/s;LT-1] という条件じょうけんはいる。地面じめんもど瞬間しゅんかんなら、位置いち x[m;L]初期位置しょきいちおなじになる。条件じょうけん言葉ことばのままのこさず、ひょうなか単位たんいつきのりょうとしてれる。

未知数表みちすうひょうつくると、時間じかんふくしき使つかうべきか、時間じかんしたしき使つかうべきかがえやすい。もとめたいりょうv[m/s;LT-1] で、時間じかん t[s;T]不要ふようなら、時間じかんふくまない関係式かんけいしきえらぶほうが計算けいさんみじかくなる。

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