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1からの水理学(2)放物線運動

 ボールが飛ぶのは放物線!とみな言いますが、消防の水も放物線!なのか誰も話さないですよね、図1で左右の図は同じでしょうか?はてさて。

図1 放水って水投げですか?

👉Q1:高い所にあるボールがもつエネルギーEzと質量m[kg]や高さz[m]との関係は、Ez=m×g×z[J] (1) だそうです。さて、このEzを何と言うでしょう?

👉ANS.1: 位置エネルギーですね。

👉Q2:運動しているボールがもつエネルギーEvを何と言うでしょう?質量mや速度[m/s]との関係は、Ev=0.5×m×v² [J] (2) だそうです。さて、このEvを何と言うでしょう?((2)式は分数1/2を上手に書きづらく実数で0.5と書きました。斜線は割り算の横棒です。)

👉ANS.2: 運動エネルギーですよ。

図2 ボールの軌跡(放物線のイメージです)

👉Q3: 図2は放物線と思ってください、図が下手でごめんなさい。この図2中、ボールの点④での運動エネルギーEv₄は、点③での運動エネルギーEvの何倍でしょうか? ただし、質量m[kg]のボールが一番高い点③で高さ12[m]で、 v² /(2g)(運動エネルギーのヘッド表示Hv、(4)式)が4[m]だったと仮定してください。ボールと空気の摩擦の影響は無視してください。

👉ヒント1(呼称):
今問われている比(Ev₃:Ev)は、mもgも定数ですので、(4)式から明らかに、比(Hv₃:Hv)に等しくなります。Hv③もHv④も単位は[m]ですので、この2つのHvは図を見て楽に得ることができそうです!ただし、
 Hz=(位置エネルギーEz)÷(m×g) =z[m] (←通称、位置水頭)(3)
 Hv=(運動エネルギーEv)÷(m×g)= v² /(2g)[m] (←通称、速度水頭)(4)
 Hz + Hv = Ht(←大気と接触状態の全水頭(トータルヘッド))(5)
ここで、Hzは位置エネルギーのヘッド表示[m]ですが、高さそのものです。Hvは運動エネルギーのヘッド表示[m]です。Hz[m]とHv[m]はそれぞれエネルギーEz[J]とEv[J]の比エネルギー表示とも言われます。

👉ヒント2:比エネルギーの図(描き順)
公式は?早く解きたい!頭が痛い!とか思う前に、
Hv₃やHvを図示する手順について、図だけでもご覧ください。お願いします。

🖌️図3のように、まずベースラインを書き込みます(緑色の水平線)。任意の高さで良いのですが、低いところが普通です。そこは、位置エネルギーゼロと仮定できる場所です。そして、点①から⑤までの全点について、ベースラインから、その軌道まで位置エネルギーのヘッドHzの矢印(緑色の矢印)を書き込みます。

図3 ベースライン(緑の水平線)と位置水頭Hz(緑色矢印)の書き込み

🖌️今、仮定から③における位置エネルギーHz₃は12[m]、④における運動エネルギーHvは4[m]です。ですので、(5)式によって③における全水頭Ht₃は16[m]になります。今、エネルギーの損失は影響なしと仮定されていますのでHt[m]はどこでも一定値となります。ですので、図4のように、エネルギー線を赤い水平線で書き込むことができます。

図4 エネルギー線(赤い線)の書き込み

🖌️最後に、③以外の各点についても、位置水頭Hzの矢印の先から、エネルギー線(赤色)までを埋める速度水頭Hvを図5のように赤い矢印で書き込みます。

図5 速度水頭Hv(赤い矢印)の書き込み

👉ANS.3: 図5中のHv₃とHvの大きさ(赤い矢印の長さ)から、HvはHv₃の2倍(Ev₄がEv₃の2倍)であることを目視できます。


💡図を描いていっただけで、目視だけで答えを得ました!計算は何もしていません!「今までに習った理科と水理学とは無関係なんだろう」というわけでもありませんでしたね。

水理学アレルギーの火消し

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