物理
質量mの自動車が水平面上で、半径rの円周上を速さvで走行している。自動車の重心Gは車輪なの接地点から水平距離d, 高さhのところにある。半径rは自動車の大きさに比べて十分大きいものとして、前輪、後輪の区別は考えなくてよい。また、タイヤの幅は無視でき、車輪と路面の間の静止摩擦係数をμとし、重力加速度をgとする。
問題1 速さvが大きくなると車が横滑りを起こすが、滑りが起きないための速さvの上限を求めよ。
答え 滑り出す直前には、両側の車輪ともに水平方向に摩擦力が働いている。また、遠心力による剛体の釣り合いを考える。
内側, 外側の車輪の地面からの垂直抗力をそれぞれN_1, N_2とすると、鉛直方向の釣り合いよりN_1+N_2=mg 水平方向の釣り合いより、m*(v^2/r)= μN_1+ μN_2=μ(N_1+N_2)=μmg
これを解いて v=√(μgr)となる。
問題2 このときの内側、外側の車輪に働く垂直抗力を求めよ。
答え Bのまわりのモーメントの釣り合いより、mgd=(N_1)*2d+m*(v^2/r)*h
vを代入し、N_1= (mg/2d)*(d-μh) N_2=mg_N_1=(mg/2d)*(d+μh)
Aのまわりのモーメントの釣り合いから解いてもよい。
質問です。
問題1は理解できました。
問題2についてですが、問題1で求めた鉛直方向•水平方向の釣り合いの2式から、N_1, N_2を解くのかと思ったのですが、これらを連立させて解くとN_1=0となってしまい、求める事が出来ませんでした。
そこで答えを見てみると、AまたはBについてのモーメントの釣り合いを求めることにより解くとありました。ある点のモーメントについて考えるのは、物体の回転運動が関係している時だったと思うのですがこの問題でモーメントについて考えるのは、車が回転運動をする直前と捉えて考えるからでしょうか?