ゼロからの高校物理 / 力学 / 運動の表し方

鉛直投射(投げ下ろし・投げ上げ)

このページは「自由落下運動」の続きです。重力加速度 g = 9.8 m/s² と、等加速度直線運動の3つの式 v = v0 + at、x = v0t + 12at2、v2 − v02 = 2ax を使います。

公式

投げ下ろしv = v0 + gt、y = v0t + 12gt2(下向きが正)
投げ上げv = v0 − gt(上向きが正)
投げ上げの位置y = v0t − 12gt2
時間を使わない式v2 − v02 = −2gy(投げ上げ)
最高点v = 0(加速度は −g のまま)

どの式も、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とし、空気の抵抗を考えないときの式です

1鉛直投げ下ろし

真下に投げ下ろす運動の加速度は、自由落下と同じ下向きの g で、ちがうのは初速度 v0 があることだけです。

ビルの屋上から、ボールを真下に向けて投げます。自由落下とちがって、ボールは手を離れた瞬間から、もう下向きに動いています。真下に投げる運動を鉛直投げ下ろしといいます。真上に投げる運動は鉛直投げ上げといい、項目2から扱います。この2つをまとめて鉛直投射といいます。このページでも、空気の抵抗は考えません。

投げ下ろしでは、自由落下のページと同じく、鉛直下向きを正の向きとします。投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。y は「投げた点から下へ何 m の所にいるか」を表します。

投げた瞬間の速度が、初速度 v0 です。下向きに投げたので、v0 は正の数です。たとえば、下向きに 4.9 m/s で投げたなら、v0 = +4.9 m/s です。手を離れたあとのボールは、自由落下と同じように、下向きに 9.8 m/s² の加速度で速くなっていきます。だから、加速度は a = +g です。自由落下とちがうのは、v0 が 0 ではないことだけです。

等加速度直線運動の3つの式に、a = g を入れ、x を y に書き換えます。速度の式 v = v0 + at は、次のようになります。

v = v0 + gt

位置の式 x = v0t + 12at2 は、次のようになります。

y = v0t + 12gt2

時間を使わない式 v2 − v02 = 2ax は、次のようになります。

v2 − v02 = 2gy

下向きに 4.9 m/s で投げ下ろしたときの、1 秒ごとの速度と位置は、次の表のようになります。

時刻 t(s)01.02.0
速度 v(m/s)+4.9+14.7+24.5
位置 y(m)0+9.8+29.4

たとえば t = 1.0 s では、v = 4.9 + 9.8 × 1.0 = 14.7 m/s です。位置は、y = 4.9 × 1.0 + 12 × 9.8 × 1.02 = 4.9 + 4.9 = 9.8 m です。投げた点から 9.8 m 下にいます。速度は、自由落下と同じく、1 秒ごとに 9.8 m/s ずつ増えています。ちがうのは、出発が 0 ではなく +4.9 m/s であることです。

3つの式で v0 = 0 にすると、v = gt、y = 12gt2、v2 = 2gy になります。これは、自由落下の3つの式です。自由落下は、投げ下ろしで v0 = 0 のときにあたります。

縦の物差し(上が原点(投げた点)で、下へ 0 から 40 m)の横を、投げ下ろした球が落ちていく図。0.5 s ごとの位置に薄い残像を残す。球の右から下向きに紫の速度の矢印(長さは速さに比例)、球の左から下向きに橙の加速度の矢印(+9.8 m/s²、長さは一定)が出ている 加速度 +9.8 m/s²(一定)

下向きを正の向き、投げた点を原点としています。空気の抵抗は考えません。紫の矢印は速度、橙の矢印は加速度です。単位が違うので、紫と橙の矢印の長さは比べられません。

速度 v m/s 位置 y m

やってみよう

まず、時刻 t を 1.0 s に、初速度 v0 を 0.0 m/s にしてください。次に、t は 1.0 s のまま、v0 を +9.8 m/s に変えてください。速度 v の表示は、何 m/s 増えましたか。

分かること

速度は +9.8 m/s から +19.6 m/s になり、9.8 m/s 増えます。増えた分は、初速度 v0 の 9.8 m/s と同じです。

確認

投げ下ろしの式で、初速度を v0 = 0 にすると、何という運動になりますか。

答え

自由落下です。

例題

ビルの屋上から、ボールを鉛直下向きに 2.0 m/s で投げ下ろしました。投げてから 3.0 s 後の速さと、それまでに落ちた距離を求めなさい。重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。

  1. 鉛直下向きを正の向き、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。
  2. 初速度は v0 = +2.0 m/s、加速度は a = +g = +9.8 m/s²、時刻は t = 3.0 s です。
  3. 速さは、v = v0 + gt = 2.0 + 9.8 × 3.0 = 2.0 + 29.4 = 31.4 m/s ≒ 31 m/s です。
  4. 落ちた距離は、y = v0t + 12gt2 = 2.0 × 3.0 + 12 × 9.8 × 3.02 = 6.0 + 44.1 = 50.1 m ≒ 50 m です。
  5. 与えた数(2.0、9.8、3.0)が 2 桁なので、答えも 2 桁にそろえます。与えた数の桁がちがうときは、いちばん桁の少ない数にそろえます。

答え: 速さ 31 m/s、落ちた距離 50 m

2上向きを正にして投げ上げを表す

投げ上げで上向きを正の向きにすると、加速度は a = −g です。加速度はずっと同じなので、上がる間も下がる間も同じ式で表せます。

ボールを真上に投げ上げます。ボールは上がりながらだんだん遅くなり、いちばん高い所で一瞬止まります。そのあと向きを変えて、だんだん速くなりながら落ちてきます。

投げ上げでは、ボールが進む向きが、途中で上向きから下向きに変わります。向きが変わる運動では、正の向きを1つに決めておかないと、速度の + と − が決められません。この資料では、投げ上げの問題で、鉛直上向きを正の向きとします。投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。自由落下や投げ下ろしとは、正の向きが逆です。正の向きは、問題に合わせて決める約束です。「等加速度直線運動(2)」のページで、斜面に沿って上向きを正の向きにしたのと同じです。

投げ上げでは、y は「投げた点から上へ何 m の所にいるか」を表します。たとえば y = +14.7 m は、投げた点から 14.7 m 上にいるということです。速度 v が + なら、ボールは上がっています。v が − なら、ボールは下がっています。

重力加速度の向きは、鉛直下向きです。これは、正の向きをどちらに決めても変わりません。上向きを正にしたので、下向きの加速度は負の数で書きます。だから a = −g = −9.8 m/s² です。g は重力加速度の大きさで、いつも正の数 9.8 m/s² です。−g のマイナスは「下向き」という意味です。

等加速度直線運動の3つの式に、a = −g を入れ、x を y に書き換えます。速度の式 v = v0 + at は、v = v0 + (−g)t なので、次のようになります。

v = v0 − gt

位置の式 x = v0t + 12at2 は、y = v0t + 12 × (−g) × t2 なので、次のようになります。

y = v0t − 12gt2

時間を使わない式 v2 − v02 = 2ax は、v2 − v02 = 2 × (−g) × y なので、次のようになります。

v2 − v02 = −2gy
投げ下ろしの式の +g が −g に変わった形です。v0 は上向きに投げた初速度なので、正の数です。

上向きに 19.6 m/s で投げ上げたとき(v0 = +19.6 m/s)の、1 秒ごとの速度と位置は、次の表のようになります。

時刻 t(s)01.02.03.04.0
速度 v(m/s)+19.6+9.80−9.8−19.6
位置 y(m)0+14.7+19.6+14.70

たとえば t = 1.0 s では、v = 19.6 − 9.8 × 1.0 = 9.8 m/s です。位置は、y = 19.6 × 1.0 − 12 × 9.8 × 1.02 = 19.6 − 4.9 = 14.7 m です。速度は、1 秒ごとに 9.8 m/s ずつ減っています。加速度が −9.8 m/s² だからです。

t = 3.0 s の列を読みます。v = −9.8 m/s は、「下向きに 9.8 m/s の速さで落ちている」という意味です。y = +14.7 m は、「投げた点から 14.7 m 上にいる」という意味です。t = 1.0 s のときも、y は +14.7 m で同じ高さです。ちがうのは速度で、1.0 s では上がっていて(+9.8 m/s)、3.0 s では下がっています(−9.8 m/s)。

上がる間も、一瞬止まる時刻も、落ちる間も、加速度はずっと −9.8 m/s² です。加速度が変わらないので、投げてから落ちてくるまでを、v = v0 − gt と y = v0t − 12gt2 の1組の式で表せます。上がる間と下がる間で、式を変える必要はありません。自由落下も、上向きを正の向きにすれば、加速度は −g と書けます。どちらを正の向きにしても、運動そのものは同じです。

縦の物差し(下が原点(投げた点)で、上へ 0 から 20 m)の横に、初速度 +19.6 m/s で投げ上げた球を時刻 t の位置に描いた図。球の右に紫の速度の矢印(上がっているときは上向き、下がっているときは下向き、長さは速さに比例)、球の左に橙の加速度の矢印(いつも下向き、−9.8 m/s²、長さは一定)が出ている 加速度 −9.8 m/s²(一定)

上向きを正の向き、投げた点を原点としています。初速度は +19.6 m/s に固定しています。紫の矢印は速度、橙の矢印は加速度です。単位が違うので、紫と橙の矢印の長さは比べられません。

速度 v m/s 位置 y m

やってみよう

時刻 t を 1.5 s にしてから、2.5 s に変えてください。位置 y の表示と、紫の速度の矢印の向きは、それぞれどうなりましたか。橙の加速度の矢印はどうですか。

分かること

位置はどちらも +18.4 m で、同じ高さです。速度の矢印は、1.5 s では上向き(+4.9 m/s)、2.5 s では下向き(−4.9 m/s)です。加速度の矢印は、どちらも下向きで、長さも同じです。

確認

上向きを正の向きにしたとき、投げ上げたボールが上がっている途中の加速度は、正ですか、負ですか。

答え

負です(−9.8 m/s²)。上がっている途中で正なのは速度です。

例題

ボールを鉛直上向きに 9.8 m/s で投げ上げました。投げてから 0.50 s 後の速度と位置を求めなさい。重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。

  1. 鉛直上向きを正の向き、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。
  2. 初速度は v0 = +9.8 m/s、加速度は a = −g = −9.8 m/s²、時刻は t = 0.50 s です。
  3. 速度は、v = v0 − gt = 9.8 − 9.8 × 0.50 = 9.8 − 4.9 = 4.9 m/s です。正なので、まだ上がっています。
  4. 位置は、y = v0t − 12gt2 = 9.8 × 0.50 − 12 × 9.8 × 0.502 = 4.9 − 1.225 = 3.675 m ≒ 3.7 m(2 桁に丸めて)です。正なので、投げた点より上にいます。

答え: 速度 +4.9 m/s(上向きに 4.9 m/s)、位置 +3.7 m(投げた点から 3.7 m 上)

3最高点

投げ上げたボールがいちばん高い所(最高点)に着くのは、速度が v = 0 になるときです。

項目2の表(v0 = +19.6 m/s)で、速度が 0 になるのは t = 2.0 s です。2.0 s までは速度が + で、ボールは上がっています。2.0 s からあとは速度が − で、ボールは下がっています。だから、t = 2.0 s のときがいちばん高く、位置は y = +19.6 m です。いちばん高い点を最高点といいます。最高点は、上がるのをやめて落ち始める点です。

最高点では、上向きにも下向きにも動いていないので、速度が 0 です。だから、最高点を求めるときは、v = 0 とおきます。

速度の式 v = v0 − gt に、v = 0 を入れます。v0 = +19.6 m/s なら、0 = 19.6 − 9.8 × t です。9.8 × t = 19.6 なので、t = 19.6 ÷ 9.8 = 2.0 s です。表と同じです。文字で書くと、0 = v0 − gt から t = v0 / g です。速度は 1 秒に 9.8 m/s ずつ減ります。速度が v0 から 0 になるまでに何秒かかるかを、割り算で求めているということです。

最高点の高さは、最高点までの時間 t = 2.0 s を、位置の式 y = v0t − 12gt2 に入れて求めます。y = 19.6 × 2.0 − 12 × 9.8 × 2.02 = 39.2 − 19.6 = 19.6 m です。

時間を使わない式 v2 − v02 = −2gy に、v = 0 を入れても求められます。02 − 19.62 = −2 × 9.8 × y なので、−384.16 = −19.6 × y です。y = 384.16 ÷ 19.6 = 19.6 m で、同じ答えになります。時間が分かっていないときや、高さだけを聞かれたときは、v2 − v02 = −2gy を使うと、時間を求めずに高さが分かります。

最高点では、速度は 0 ですが、加速度は −9.8 m/s² のままです。0 ではありません。もし加速度が 0 なら、速度は 0 のまま変わらず、ボールは最高点で空中に止まったままになるはずです。加速度が −9.8 m/s² なので、最高点の 1 秒あとには、速度は −9.8 m/s になり、ボールは落ちてきます。「等加速度直線運動(2)」のページで、斜面で折り返す瞬間の台車の加速度が 0 ではなかったのと同じです。

縦の物差し(下が原点(投げた点)で、上へ 0 から 20 m)と、原点にある球。「投げる」ボタンを押すと、球が原点から最高点まで上がり、そのまま落ちて原点に戻る。球が最高点に着くと、最高点の高さに横の点線と「最高点」の文字、原点から点線までの高さを示す両矢印と数値、下向きの橙の加速度の矢印と「最高点で 速度 0.0 m/s、加速度 −9.8 m/s²」の文字が出て、最高点の位置に球の薄い印が残る 最高点 最高点で 速度 0.0 m/s加速度 −9.8 m/s²

上向きを正の向き、投げた点を原点としています。空気の抵抗は考えません。

最高点までの時間 最高点の高さ

やってみよう

初速度 v0 を +9.8 m/s にして「投げる」を押し、最高点までの時間と高さを読んでください。次に +19.6 m/s にして、もう一度「投げる」を押してください。初速度は2倍になります。最高点までの時間と最高点の高さは、それぞれ何倍になりましたか。

分かること

最高点までの時間は 1.0 s から 2.0 s で、2倍です。最高点の高さは 4.9 m から 19.6 m で、4倍です。時間が2倍になるうえに、その間の平均の速さも2倍になるので、高さは 2 × 2 = 4 倍になります。

確認

投げ上げたボールが最高点にあるとき、速度は 0 です。このとき、加速度も 0 ですか。

答え

いいえ。加速度は −9.8 m/s² のままです。

例題

ボールを鉛直上向きに 14.7 m/s で投げ上げました。投げてから最高点に着くまでの時間と、最高点の高さ(投げた点からの高さ)を求めなさい。重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。

  1. 鉛直上向きを正の向き、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。初速度は v0 = +14.7 m/s です。
  2. 最高点では速度が 0 なので、v = 0 とおきます。
  3. v = v0 − gt に入れると、0 = 14.7 − 9.8 × t なので、t = 14.7 ÷ 9.8 = 1.5 s です。
  4. 高さは、y = v0t − 12gt2 = 14.7 × 1.5 − 12 × 9.8 × 1.52 = 22.05 − 11.025 = 11.025 m ≒ 11 m(2 桁に丸めて)です。
  5. v2 − v02 = −2gy でも確かめます。02 − 14.72 = −2 × 9.8 × y から、−216.09 = −19.6 × y なので、y = 216.09 ÷ 19.6 = 11.025 m で、同じです。

答え: 時間 1.5 s、最高点の高さ 11 m

4投げた点に戻るまで

投げ上げたボールが投げた点に戻るまでの時間は、最高点までの時間の2倍で、戻ったときの速度は、大きさが初速度と同じで向きが逆です。

上向きに 19.6 m/s で投げ上げたとき(v0 = +19.6 m/s)の表を、もう一度示します。

時刻 t(s)01.02.03.04.0
速度 v(m/s)+19.6+9.80−9.8−19.6
位置 y(m)0+14.7+19.6+14.70

位置が y = 0 に戻るのは t = 4.0 s です。最高点までは 2.0 s でした。投げた点に戻るまでの 4.0 s は、その2倍です。上がるのに 2.0 s、下がるのに 2.0 s かかっています。上りと下りにかかる時間は同じです。

t = 4.0 s のときの速度は、v = 19.6 − 9.8 × 4.0 = 19.6 − 39.2 = −19.6 m/s です。マイナスは、下向きに動いているという意味です。速さは 19.6 m/s で、投げたときの速さと同じです。向きだけが逆です。

この表を見ると、t = 1.0 s と 3.0 s では、ボールは同じ高さ(+14.7 m)にいます。速度は +9.8 m/s と −9.8 m/s で、速さはどちらも 9.8 m/s です。同じ高さを通るときの速さは、上りと下りで同じです。

表の速度を、v-t グラフに点として打ちます。横軸が時刻 t、縦軸が速度 v です。点(4.0 s, −19.6 m/s)は、「投げてから 4.0 s 後に、下向きに速さ 19.6 m/s で動いている」という意味です。位置ではありません。点は、(0 s, +19.6 m/s) から (4.0 s, −19.6 m/s) までの、右下がりの1本の直線の上に並びます。傾きは加速度で、−9.8 m/s² です。直線は t = 2.0 s で横軸を横切ります。速度が 0 になる、最高点の時刻です。グラフの線は、ボールが通った道ではありません。ボールは、真上に上がって、真下に戻ってくるだけです。

v-t グラフの面積は変位で、横軸より下の面積は負の変位として数えました(「x-t グラフと v-t グラフ」のページ)。横軸より上の三角形(0 〜 2.0 s)は、底辺 2.0 s、高さ 19.6 m/s で、面積は 12 × 2.0 × 19.6 = 19.6 です。上がった分の変位は +19.6 m で、最高点の高さと同じです。横軸より下の三角形(2.0 〜 4.0 s)も、底辺 2.0 s、高さ 19.6 m/s で、面積は 19.6 です。横軸より下なので、下がった分の変位は −19.6 m です。0 〜 4.0 s の変位は、+19.6 + (−19.6) = 0 m です。だから、t = 4.0 s で y = 0 に戻っています。

投げた点に戻るのは、位置が y = 0 のときです。位置の式 y = v0t − 12gt2 に、y = 0 と v0 = 19.6 m/s を入れると、0 = 19.6t − 4.9t2 です。右辺を t でくくると、t × (19.6 − 4.9t) = 0 です。だから、t = 0 か、19.6 − 4.9t = 0 です。t = 0 は、投げた瞬間です。このときも y = 0 ですが、まだ戻ってきたのではありません。19.6 − 4.9t = 0 から、t = 19.6 ÷ 4.9 = 4.0 s です。これが投げた点に戻る時刻です。文字で同じ計算をすると、t = 2v0 / g です。最高点までの時間 v0 / g のちょうど2倍です。この形は覚えなくてもかまいません。

初速度 +19.6 m/s で投げ上げたときの v-t グラフ。速度の直線は (0 s, +19.6 m/s) から (4.0 s, −19.6 m/s) までの右下がりで、2.0 s で横軸を横切る。表の5点(0、1.0、2.0、3.0、4.0 s)を白抜きの小さな丸で打つ。時刻 t の所に塗りつぶした点を打ち、0 から t までの面積のうち、横軸より上を塗り(上(+))、横軸より下を斜線(下(−))で示している v [m/s] t [s] v 上(+) 下(−)

上向きを正の向きとしています。初速度は +19.6 m/s に固定しています。塗りは横軸より上の面積、斜線は横軸より下の面積です。グラフの線は、ボールが通った道ではありません。

速度 v m/s 位置 y = 上 − 下 = − = m

やってみよう

時刻 t を 2.5 s と 3.5 s にしてください。それぞれ、下の面積と位置 y の表示はいくつですか。

分かること

2.5 s では下の面積 1.2、位置 y = +18.4 m です。3.5 s では下の面積 11.0、位置 y = +8.6 m です。下の面積が増えるほど、y は小さくなります。

確認

投げ上げたボールが投げた点に戻ってきたときの速さは、投げたときの速さより小さいですか。

答え

いいえ。向きが逆になるだけで、速さは同じです。

例題

ボールを鉛直上向きに 9.8 m/s で投げ上げました。ボールが投げた点に戻ってくるまでの時間と、そのときの速度を求めなさい。重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。

  1. 鉛直上向きを正の向き、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。初速度は v0 = +9.8 m/s です。
  2. 投げた点に戻るのは、y = 0 のときです。
  3. y = v0t − 12gt2 に入れると、0 = 9.8t − 4.9t2 です。
  4. t でくくると、t × (9.8 − 4.9t) = 0 です。t = 0 は投げた瞬間なので、9.8 − 4.9t = 0 から t = 9.8 ÷ 4.9 = 2.0 s です。
  5. そのときの速度は、v = v0 − gt = 9.8 − 9.8 × 2.0 = 9.8 − 19.6 = −9.8 m/s です。マイナスなので下向きです。

答え: 時間 2.0 s、速度 −9.8 m/s(下向きに 9.8 m/s)

5投げた点より下まで落ちるとき

投げた点より下の位置は y が負になるので、地面の位置をマイナスで入れれば、投げ上げの式のまま地面に着く時間が求められます。

地面から高さ 14.7 m のビルの屋上から、ボールを鉛直上向きに 9.8 m/s で投げ上げます。ボールは最高点まで上がったあと落ちてきて、屋上の高さを通り過ぎ、さらに下の地面まで落ちます。

これまでと同じく、鉛直上向きを正の向き、投げた点(屋上)を原点、投げた時刻を 0 とします。原点は地面ではなく屋上です。地面は、屋上から 14.7 m 下にあります。上向きが正なので、投げた点より下の位置は負の数で表します。だから、地面の位置は y = −14.7 m です。マイナスは「投げた点より下にある」という意味です。距離が負という意味ではありません。

v0 = +9.8 m/s のとき、1 秒ごとの速度と位置は、次の表のようになります。

時刻 t(s)01.02.03.0
速度 v(m/s)+9.80−9.8−19.6
位置 y(m)0+4.90−14.7

t = 1.0 s で速度が 0 なので、ここが最高点です。屋上から 4.9 m 上です。t = 2.0 s で y = 0 なので、屋上の高さに戻ってきます。t = 3.0 s で y = −14.7 m なので、ここで地面に着きます。

屋上より下へ落ちていく間も、加速度は −9.8 m/s² のままです。だから、項目2の式 v = v0 − gt と y = v0t − 12gt2 が、そのまま使えます。投げた点を通り過ぎても、式を変える必要はありません。

位置の式 y = v0t − 12gt2 に、y = −14.7 m と v0 = 9.8 m/s を入れます。−14.7 = 9.8t − 4.9t2 です。両辺を 4.9 で割ると、−3 = 2t − t2 です。左辺の −3 を右辺に移し、両辺に −1 を掛けて並べ直すと、t2 − 2t − 3 = 0 です。因数分解すると、(t − 3)(t + 1) = 0 なので、t = 3 か t = −1 です。t = −1 は投げる前の時刻なので、使いません。ボールは投げた時刻 0 より後にしか飛んでいないからです。だから、地面に着くのは t = 3.0 s です。表と同じです。

地面に着く直前の速度は、v = v0 − gt = 9.8 − 9.8 × 3.0 = 9.8 − 29.4 = −19.6 m/s です。マイナスなので、下向きに速さ 19.6 m/s で地面に着きます。時間を使わない式 v2 − v02 = −2gy でも確かめられます。v2 − 9.82 = −2 × 9.8 × (−14.7) なので、v2 = 96.04 + 288.12 = 384.16 です。19.6 × 19.6 = 384.16 なので、速さは 19.6 m/s です。v2 からは速さしか分かりません。落ちてくる途中なので、向きは下向きで、速度は −19.6 m/s です。

高さ 14.7 m のビルの屋上から投げ上げたボールの通り道。縦の物差しは −15 から +5 m で、屋上が y = 0(原点)、地面が y = −14.7 m。屋上から最高点 y = +4.9 m(t = 1.0 s)まで上る矢印と、最高点から地面まで下る矢印を横にずらして描く。下る途中で y = 0 にもどる(t = 2.0 s)。地面に着く所に、下向きの紫の速度の矢印と「速度 −19.6 m/s(t = 3.0 s)」 原点(投げた点)y = 0 地面 y = −14.7 m ビルの高さ14.7 m 最高点 y = +4.9 m(t = 1.0 s) 上る 下る y = 0 にもどる(t = 2.0 s) 速度 −19.6 m/s(t = 3.0 s)

上向きを正の向き、屋上(投げた点)を原点としています。地面は投げた点より下なので、y が負になります。上る道と下る道は、見やすいように横にずらして描いています。

確認

この場面で、ボールが地面に着くときの位置 y は、+14.7 m ですか、−14.7 m ですか。

答え

−14.7 m です。屋上より下なので、負になります。

例題

地面から高さ 9.8 m の建物の屋上から、ボールを鉛直上向きに 4.9 m/s で投げ上げました。ボールが地面に着くまでの時間と、地面に着く直前の速度を求めなさい。重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。

  1. 鉛直上向きを正の向き、投げた点(屋上)を原点、投げた時刻を 0 とします。初速度は v0 = +4.9 m/s です。
  2. 地面は投げた点より 9.8 m 下なので、地面に着くとき y = −9.8 m です。
  3. y = v0t − 12gt2 に入れると、−9.8 = 4.9t − 4.9t2 です。
  4. 両辺を 4.9 で割ると −2 = t − t2 です。左辺の −2 を右辺に移し、両辺に −1 を掛けて並べ直すと t2 − t − 2 = 0 です。
  5. 因数分解すると (t − 2)(t + 1) = 0 です。t = −1 は投げる前の時刻なので使わず、t = 2.0 s です。
  6. 地面に着く直前の速度は、v = v0 − gt = 4.9 − 9.8 × 2.0 = 4.9 − 19.6 = −14.7 m/s ≒ −15 m/s(2 桁に丸めて)です。マイナスなので下向きです。

答え: 時間 2.0 s、速度 −15 m/s(下向きに 15 m/s)

練習問題

重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。どの問題も、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。パターン1は鉛直下向きを正の向き、パターン2・3は鉛直上向きを正の向きとします。

パターン1 鉛直投げ下ろし(下向きが正)

問1高い所から、小石を鉛直下向きに 4.9 m/s で投げ下ろしました。投げてから 1.5 s 後の速さと、それまでに落ちた距離を求めなさい。

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速さ 20 m/s、落ちた距離 18 m

v0 = +4.9 m/s、a = +9.8 m/s²、t = 1.5 s。速さは v = v0 + gt = 4.9 + 9.8 × 1.5 = 4.9 + 14.7 = 19.6 m/s ≒ 20 m/s。落ちた距離は y = v0t + 12gt2 = 4.9 × 1.5 + 12 × 9.8 × 1.52 = 7.35 + 11.025 = 18.375 m ≒ 18 m

図は小数第1位まで表示します(速度 +19.6 m/s、位置 +18.4 m)。答えは2桁に丸めて 20 m/s、18 m です。

問2地面から高さ 20 m の所から、小石を鉛直下向きに 7.0 m/s で投げ下ろしました。小石が地面に着く直前の速さを求めなさい。

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21 m/s

時間が分かっておらず、聞かれてもいないので、時間を使わない式 v2 − v02 = 2gy を使う。地面に着くとき y = 20 m。v2 − 7.02 = 2 × 9.8 × 20 なので、v2 − 49 = 392、v2 = 441。21 × 21 = 441 なので、v = 21 m/s

パターン2 投げ上げの最高点(v = 0)

問3ボールを鉛直上向きに 9.8 m/s で投げ上げました。最高点に着くまでの時間と、最高点の高さ(投げた点からの高さ)を求めなさい。

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時間 1.0 s、高さ 4.9 m

最高点では v = 0。v = v0 − gt に入れて 0 = 9.8 − 9.8 × t なので、t = 9.8 ÷ 9.8 = 1.0 s。高さは y = v0t − 12gt2 = 9.8 × 1.0 − 12 × 9.8 × 1.02 = 9.8 − 4.9 = 4.9 m(v2 − v02 = −2gy でも、0 − 9.82 = −2 × 9.8 × y から y = 96.04 ÷ 19.6 = 4.9 m)

問4ボールを鉛直上向きに投げ上げたところ、投げた点から 10 m 上の最高点まで上がりました。投げ上げたときの速さを求めなさい。

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14 m/s

最高点では v = 0、そのときの位置は y = +10 m。時間が分かっていないので、v2 − v02 = −2gy を使う。02 − v02 = −2 × 9.8 × 10 なので、−v02 = −196、v02 = 196。14 × 14 = 196 なので、v0 = 14 m/s。高さから初速度を逆に求めるときも、「最高点では v = 0」を使えばよい

パターン3 投げ上げで、投げた点・それより下の点に着くまで

問5ボールを鉛直上向きに 14.7 m/s で投げ上げました。ボールが投げた点に戻ってくるまでの時間と、そのときの速度を求めなさい。

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時間 3.0 s、速度 −15 m/s(下向きに 15 m/s)

投げた点に戻るのは y = 0 のとき。0 = 14.7t − 4.9t2 なので、t × (14.7 − 4.9t) = 0。t = 0 は投げた瞬間なので、14.7 − 4.9t = 0 から t = 14.7 ÷ 4.9 = 3.0 s(最高点までの 1.5 s の2倍)。速度は v = 14.7 − 9.8 × 3.0 = 14.7 − 29.4 = −14.7 m/s ≒ −15 m/s。向きは投げたときと逆。丸める前の速さは 14.7 m/s で、投げたときの速さと同じ。答えは 2 桁に丸めて 15 m/s になる

問6地面から高さ 19.6 m のビルの屋上から、ボールを鉛直上向きに 14.7 m/s で投げ上げました。ボールが地面に着くまでの時間を求めなさい。

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4.0 s

上向きを正、屋上を原点にすると、地面は y = −19.6 m(+19.6 m と入れないこと)。y = v0t − 12gt2 に入れて −19.6 = 14.7t − 4.9t2。両辺を 4.9 で割って −4 = 3t − t2。左辺の −4 を右辺に移し、両辺に −1 を掛けて並べ直すと t2 − 3t − 4 = 0。(t − 4)(t + 1) = 0 で、t = −1 は投げる前の時刻なので使わず、t = 4.0 s

つまずきやすいところ

まとめ

公式

投げ下ろしv = v0 + gt、y = v0t + 12gt2(下向きが正)
投げ上げv = v0 − gt(上向きが正)
投げ上げの位置y = v0t − 12gt2
時間を使わない式v2 − v02 = −2gy(投げ上げ)
最高点v = 0(加速度は −g のまま)

どの式も、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とし、空気の抵抗を考えないときの式です