転がりと摩擦力の配分          
                 (前のページへ)

玉が転がっているときエネルギーは順次失われ減速、停止する。この間、併進エネルギーと回転エネルギーが同率で失われるとしなければならない。
従って、玉に働くころがり摩擦力は2つのエネルギーの比に分けなければならない。

      F_{1}: 併進エネルギーを減少させる力
      F_{2}: 回転エネルギーを減少させる力
      F : ころがり摩擦力
      \mu : 転がり摩擦係数

   質量:m   半径:r  慣性モーメント:I 
   併進速度:v  角速度:\omega    重力加速度:g

とすると

    F=F_{1}+F_{2}
    F=\mu mg
    v=r\omega

    m\displaystyle \frac{dv}{dt}=-F_{1} 
    I\displaystyle \frac{d\omega}{dt}=-rF_{2}
    mr\displaystyle \frac{d\omega}{dt}=-F_{1}
    \displaystyle \frac{2mr}{5}\frac{d\omega}{dt}=-F_{2}  


  ∴   \displaystyle \frac{F_{1}}{F_{2}} =\frac{5}{2}
  ∴   F_{1}=\displaystyle \frac{5}{7}\mu mg
    F_{2}=\displaystyle \frac{2}{7}\mu mg
となる。
初速度v_{0}で転がる玉が停止するまでのエネルギー収支を確認する。
vについて解くと

     v=-\displaystyle \frac{F_{1}}{m}t =v_{0}-\frac{5}{7}\mu gt
止まるまでの時間t_{1}は、v=0として
     t_{1}=\displaystyle \frac{7v_{0}}{5\mu g}
止まるまでの距離s_{1}
     s_{1}=\displaystyle \int vdt =v_{0}t_{1}-\frac{5}{14}\mu gt_{1}^{2} =\frac{7v_{0}}{5\mu g}(v_{0}-\frac{5}{14}\mu g\frac{7v_{0}}{5\mu g}) =\frac{7v_{0}^{2}}{10\mu g}
初期エネルギーと止まるまでの消費エネルギーを確認しておく。
なした仕事量W

     W=Fs_{1} =\displaystyle \mu mg\times\frac{7v_{0}^{2}}{10\mu g} =\frac{7}{10}mv_{0}^{2}
一方、初期エネルギーE_{0}は初期の併進と回転のエネルギーの和であるので
     E_{0}=E_{1}+E_{2} =\displaystyle \frac{1}{2}mv_{0}^{2}+\frac{1}{2}I\omega^{2} =\frac{1}{2}mv_{0}^{2}+\frac{1}{2}\frac{5}{2mv_{0}^{2}}\omega^{2} =\frac{1}{2}mv_{0}^{2}+\frac{1}{5}mv_{0}^{2}
       =\displaystyle \frac{7}{10}mv_{0}^{2}
初期エネルギーE_{0}とその間の仕事量Wが一致し、初期のF_{1}F_{2}の設定は正しい。
                以上

            (前のページへ)