空気抵抗を受ける場合とは? わかりやすく解説

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空気抵抗を受ける場合

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』 (2021/10/10 01:55 UTC 版)

斜方投射」の記事における「空気抵抗を受ける場合」の解説

物体が受ける空気抵抗大きさは、空気対す物体速度比例する。そのため空気抵抗がある場合上の場合とはことなった運動をする。このとき、物体速度及び位置次のうになるv x = v 0 ek t / m cos ⁡ θ , v y = ( v 0 sin ⁡ θ + m k g ) e − k t / mm k g ; x = m v 0 k ( 1 − e − k t / m ) cos ⁡ θ , y = m k { ( v 0 sin ⁡ θ + m k g ) ( 1 − e − k t / m ) − g t } + y 0 {\displaystyle {\begin{aligned}v_{x}&=v_{0}e^{-kt/m}\cos \theta ,\\v_{y}&=\left(v_{0}\sin \theta +{\frac {m}{k}}g\right)e^{-kt/m}-{\frac {m}{k}}g;\\x&={\frac {mv_{0}}{k}}\left(1-e^{-kt/m}\right)\cos \theta ,\\y&={\frac {m}{k}}\left\{\left(v_{0}\sin \theta +{\frac {m}{k}}g\right)\left(1-e^{-kt/m}\right)-gt\right\}+y_{0}\end{aligned}}} また、 t {\displaystyle t} を媒介変数とすると、 x {\displaystyle x} と y {\displaystyle y} の関係は次のように表されるy = x v 0 cos ⁡ θ ( v 0 sin ⁡ θ + m k g ) + m 2 g k 2 ln ⁡ ( 1 − k x m v 0 cos ⁡ θ ) + y 0 {\displaystyle y={\frac {x}{v_{0}\cos \theta }}\left(v_{0}\sin \theta +{\frac {m}{k}}g\right)+{\frac {m^{2}g}{k^{2}}}\ln \left(1-{\frac {kx}{mv_{0}\cos \theta }}\right)+y_{0}} ここで、 m {\displaystyle m} は物体質量、 k {\displaystyle k} は空気抵抗係数である。 空気抵抗物体速度比例する逆向きの力を受けるため、重力空気抵抗を受ける物体ではやがて重力空気抵抗つりあい終端速度達する。終端速度は、 v x {\displaystyle v_{x}} 及び v y {\displaystyle v_{y}} の極限をとることで求められる。ここで終端速度のx成分v x ∞ {\displaystyle v_{x\infty }} 、y成分v y ∞ {\displaystyle v_{y\infty }} とすると v x ∞ = lim t → ∞ v x = 0 v y ∞ = lim t → ∞ v y = − m k g {\displaystyle {\begin{aligned}v_{x\infty }&=\lim _{t\to \infty }v_{x}=0\\v_{y\infty }&=\lim _{t\to \infty }v_{y}=-{\frac {m}{k}}g\end{aligned}}} となり、十分時間が経過した後、空気(流体)中に斜方投射された物体鉛直下向き等速直線運動をすることがわかる。 このため流体中で斜方投射された物体平方向にはある距離以上に到達することができない物体平方向に到達できる限界の距離を x ∞ {\displaystyle x_{\infty }} とすると、 x {\displaystyle x} の極限をとって x ∞ = lim t → ∞ x = m k v 0 cos ⁡ θ {\displaystyle x_{\infty }=\lim _{t\to \infty }x={\frac {m}{k}}v_{0}\cos \theta } であることが求められる

※この「空気抵抗を受ける場合」の解説は、「斜方投射」の解説の一部です。
「空気抵抗を受ける場合」を含む「斜方投射」の記事については、「斜方投射」の概要を参照ください。

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