微分方程式で式の変形 空気抵抗を受ける物体の落下
質量mの物体が速度の2乗に比例する空気の抵抗を受けながら落下する問題を考えよう。
鉛直上向きにy軸をとり、時間をtとすると、速度はdy/dtで表される。重力加速度の大きさをg, 抵抗力を係数をkとすると、運動方程式は次のようになる。
m (d^2y)/(dt^2) = -mg + k(dy/dt)^2
この方程式にはyが含まれていない。
速度を v = dy/dt とおけば、(d^2y)/(dt^2) = dv/dt であるから、運動方程式(2.19)は次のようにvについての1階の微分方程式に帰着される。
dv/dt = -g + k/m v^2 (2.20)
この微分方程式は、次のように変数分離形の1階常微分方程式であり
1/ (v^2 - mg/k) dv/dt = k/m
両辺をtで積分すると
1/{2√(mg/k)} ∫[1/{(v-√(mg/k)} - 1/{(v+√(mg/k)}] dv = k/m ∫dt
log |{v-√(mg/k)}/{v+√(mg/k)}| = 2√(kg/m)t + C (2.21)
ここで、t=0 で v=0 として物体の落下だけを考えることにすると、y軸は鉛直上向きを正の方向としているので t>0 では
v=dy/dt<0
dv/dt<0
となる。
したがって、式(2.20)から0<-v<√(mg/k)であることがわかり、式(2.21)からvは次のようになる。
v=dy/dt
= -√(mg/k) * [1-e^{-2√(kg/m)t - C}] / [1+e^{-2√(kg/m)t - C}] (2.22)
・・・と本に書いてあるんですが、どうやってこの(2.22)を導き出したのかが分かりません。
勘でやってみますと、
log |{v-√(mg/k)}/{v+√(mg/k)}| = 2√(kg/m)t + C (2.21)
の両辺でeをとって
e^[log |{v-√(mg/k)}/{v+√(mg/k)}|] = e^{2√(kg/m)t + C}
|{v-√(mg/k)}/{v+√(mg/k)}| = e^{2√(kg/m)t + C}
|{v-√(mg/k)}| = e^{2√(kg/m)t + C} * |{v+√(mg/k)}|
やっぱり分かりません。教えてください。お願いします。