放物線運動の射程距離
力学 へ戻る
大学生のための物理学 へ戻る
2023.05.21_____

 ドローンを飛ばして、ある空点( x0 , y0 )( ※ x0y0 も 0 より大きい実数 )に静止させます。座標系の原点からそのドローンを撃ち落とすべく砲丸を繰り返し発射させます。砲丸の質量は 0.1 kg で、初速は 10 m/s です。打ち上げ角度を θ( 0 < θ ≦ 90 )度とします。空気抵抗は無いものとします。ドローンが絶対に撃ち落されないためには、どの範囲にドローンを固定させればいいのかを考えてみましょう。

運動方程式:
  d 2 x / d t 2 = 0
  d 2 y / d t 2 = − g ( g は重力加速度 )
したがって、
  d x / d t = 10 cos θ
  d y / d t = −g t + 10 sin θ
したがって、
  x = 10 t cos θ
  y = −0.5 g t 2 + 10 t sin θ

ドローンが存在する空点が砲丸の軌道上にあるとすると、
  x0 = 10 t cos θ  ・・・ @
  y0 = −0.5 g t 2 + 10 t sin θ  ・・・ A

@ より、 t = 0.1 x0 / cos θ これを A に代入して、
  y0 = −0.005 g x0 2 / cos 2 θx0 tan θ
よって、
  y0 = −0.005 g x0 2 ( tan 2 θ + 1 ) + x0 tan θ
よって、
  0.005 g x0 2 tan 2 θx0 tan θ + ( y0 + 0.005 g x0 2 ) = 0  ・・・ B

 0 < tan θ ≦ +∞ だから、B の式が成立しないための必要十分条件は、B が tan θ について実数解を持たないことである。そのための必要十分条件は、次の2次方程式の判別式が成り立つことである。
  x0 2 − 0.02 g x0 2 × ( y0 + 0.005 g x0 2 ) < 0
よって、
  1 − 0.02 g × ( y0 + 0.005 g x0 2 ) < 0
よって、
  y0 > −0.005 g x0 2 + 50 / g

これが求めるドローンの配置の範囲になります。
g = 9.8 とすると、上記の式はおよそ次のようになります。
  y0  > −0.0049 x0 2 + 51
y0  = −0.0049 x0 2 + 51 の式で言えば、
  x0  = 0 のときは、 y0 = 51 となり、
  y0 = 0 のときは、およそ x0 = 102 となります。