物体の運動方程式(運動量の保存則)の理解を深めるために、以下のような問題について、理論式と解析の比較を行ってみた。以下の問題は、 陰解法と陽解法による非線形構造解析の実際 に記載してある問題を、そのまま使わせて頂いています。 傾いた棒(長さ l , 質量 m)が、壁面に向かって、ある速度でもって運動していくとき、壁面との接地点(A点)での跳ね返りは無かったと仮定すると、右図のような運動をする。(Fig.1 から Fig.2 の状態に、棒は運動する) 壁面との衝突後に、棒が回転しながら運動する速度 v c ' を求めてみる。 棒は衝突直前までは、速度v c でもって、並進方向に運動していく。角運動量 L = r × m ⋅ v より、壁との接地点(A点)での角運動量で整理すると、 L A = r × m ⋅ v = l / 2 × m ⋅ (v c cosα) ただし、棒の幅寸法については、その寸法値は十分小さいもので、結果に対しても影響が小さいと仮定し、無視(幅寸法 -> ゼロ)してある。 次に、衝突直後について整理する。壁面との摩擦が0であると仮定すると、壁面から及ぼされる衝撃力は、壁面から垂直上方向となる。よって、棒の速度方向は、その方向を変えることなく、新たな速度 v c ' でもって運動を継続する。また、壁面との接地点(A点)が、壁面上で左方向に滑る運動が付け加わる為、棒は回転運動をすることになる。ここで、棒の回転運動の角速度を仮に ω' とする。ある慣性モーメント I rod を持つ物体が、角速度 ω' で運動するとき、その角運動量は、L = I rod ⋅ ω' と表現できる。 よって、衝突後での棒の角運動量は、 L A ' = ( r × m ⋅ v ) + ( I rod ⋅ ω' ) = ( l / 2 × m ⋅ (v c ' cosα) ) + ( I rod ⋅ ω' ) ここで、角運動量の保存則より、 L A = L A ' が成り立つ。 上に述べた式から整理していくと、v c ' を求める式が得ら...
Fig.1 のように、質量 m の剛体が、v 0 の一定速度で、運動しているとします。 剛体が、長さ L , 断面積 A の棒に衝突したとき、棒はどの程度たわむ(圧縮)ことになるか、求めてみようと思います。 ただし、棒自身の質量による、慣性力(静止していようとする慣性力)は無視するとします。また、剛体が、棒に衝突した瞬間から、剛体は棒と一体となって運動する(跳ね返りは無かった)ものとします。 剛体の運動エネルギーを、棒の弾性歪みエネルギーで、完全に吸収したとした(剛体の運動が静止し、棒のたわみ量が最大となった)と考えます。 剛体が速度 v 0 で運動している場合、剛体が持っている運動エネルギーは、 1 / 2 ⋅ ( m ⋅ v 0 2 ) バネ定数 k のバネが、x だけ縮むとき、その弾性歪みエネルギーは、 1 / 2 ⋅ ( k ⋅ x 2 ) ここで、棒の軸方向に荷重 F を加えた時の、たわみ量 x を求める式は、 x = ( F ⋅ L ) / ( A ⋅ E ) 上式を、F= となるように整理すると、 F = ( ( A ⋅ E ) / L ) ⋅ x となる。 上式と、フックの法則式 F = k ⋅ x を比較すると、ちょうどバネ定数 k に相当する部分がわかる。よって、長さ L , 断面積 A , 縦弾性係数 E の棒を考えた場合、そのバネ定数 k は、 k = ( ( A ⋅ E ) / L ) となる。 よって、バネの弾性歪みエネルギーの式より、棒の弾性歪みエネルギーは、 1 / 2 ⋅ ( k ⋅ x 2 ) = 1 / 2 ⋅ ( ( ( A ⋅ E ) / L ) ⋅ x 2 ) 今、剛体の運動エネルギーを、棒の弾性歪みエネルギーで、完全に吸収したときを考えているので、 1 / 2 ⋅ ( m ⋅ v 0 2 ) = 1 / 2 ⋅ ( ( ( A ⋅ E ) / L ) ⋅ x 2 ) となる。 よって、棒の軸方向たわみ量 x は、 x = √( m ⋅ v 0 2 ⋅ L / ( A ⋅...
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