さわってわかる理科・数学

放物運動シミュレーター

初速・角度・高さ・重力・空気抵抗を変えて「発射」を押すと、軌道がアニメーションで描かれます。最大5本まで重ねて比べられます。

条件飛距離最高点滞空時間着地速度

g = m/s²
k = 1/m
速度の2乗に比例する抵抗(k = ρCdA / 2m)。値は目安です。

放物運動とは

ボールを斜め上に投げると、山なりの曲線を描いて落ちてきます。この運動を放物運動(斜方投射)といいます。空気抵抗を考えなければ、ボールにはたらく力は下向きの重力だけです。そのため運動は次の2つに分けて考えられます。

シミュレーターで「速度ベクトル」を表示すると、横向きの矢印(水平成分)の長さは最後まで変わらず、縦向きの矢印(鉛直成分)だけが変化していくのがわかります。

放物運動の公式

初速 v0、水平からの角度 θ、高さ h0 から投げたとき、t 秒後の位置は次の式で表せます。

x = v0 cos θ · t
y = h0 + v0 sin θ · t − ½ g t²

最高点の高さ

鉛直方向の速度が 0 になる瞬間(t = v0 sin θ / g)が最高点です。

H = h0 + (v0 sin θ)² / 2g

飛距離(地面から投げた場合)

h0 = 0 のとき、飛距離は次の式になります。

R = v0² sin 2θ / g

sin 2θ が最大の 1 になるのは 2θ = 90°、つまり θ = 45° のとき飛距離が最大(R = v0² / g)です。また sin 2θ = sin(180° − 2θ) なので、30° と 60° のように足して 90° になる角度どうしは飛距離が同じになります。シミュレーターで 30° と 60° を続けて発射すると、同じ場所に着地することを確かめられます。

高い所から投げると、最適な角度は45°より小さくなる

崖の上などから投げる場合(h0 > 0)は、45° より低い角度のほうが遠くまで飛びます。空気抵抗がない場合、最も遠くまで飛ぶ角度は次の式で求められます。

tan θbest = v0 / √(v0² + 2 g h0)

高さを上げてから「最遠の角度を探す」を押すと、45° より小さい角度が見つかります。砲丸投げの選手が 40° 前後で投げるのも、肩の高さから投げているためです。

空気抵抗があるとどうなるか

実際のボールには、速さの2乗に比例する空気抵抗がはたらきます。

F = ½ ρ Cd A v²

ρ は空気の密度、Cd は抗力係数、A はボールの断面積です。このシミュレーターでは、これを質量 m で割った k = ρCdA / 2m を「空気抵抗」の値として使っています。軽くて大きいものほど k が大きく、空気抵抗の影響を強く受けます。

空気抵抗がある場合は公式で解けないため、このシミュレーターでは運動方程式を数値計算(ルンゲ=クッタ法)で解いています。

試してみよう

  1. 角度 30° と 60° で発射して、着地点が同じになることを確かめる
  2. 初速を2倍にすると、飛距離は何倍になるか調べる(答え:4倍)
  3. 重力を「月」にして、地球と比べて何倍飛ぶか調べる
  4. 空気抵抗を「ピンポン球」にして、真空のときと軌道の形を比べる
  5. 高さ 20 m から「最遠の角度を探す」を押し、上の公式の値と比べる

※ 計算結果は物理モデルによる理想化した値です。実際のボールの回転(揚力)や風の影響は含みません。