ボールの跳ね返り運動
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跳ねるボール。空気抵抗の影響を受けるため、運動は完全に放物線を描くわけではない。

ボールの跳ね返り運動(ボールのはねかえりうんどう)とは、他の物体に衝突して跳ね返るボールの物理的な振る舞いのことである。特に他の物体表面と衝突する直前、瞬間、直後の運動について概説する。跳ね返るボールの振る舞いの一部は、高校または学部レベルの物理学において、力学の導入として役立つような題材である[1]一方、その挙動を正確にモデリングすると複雑であり、スポーツ工学(英語版)にも関連がある。

ボールのふるまいは一般に斜方投射重力抗力マグヌス効果浮力の影響を受ける)として扱うことができるが、特に他物体との衝突は、通常反発係数によって特徴づけられる(ボールそのものや衝突面の性質、衝突速度回転温度圧力などの局所的な条件によって変化する)。多くのスポーツ競技においては、フェアプレーを担保するために、ボールの弾性に一定の制限を課し、ボールの空力的な特性を不正に変化させることを禁じている。ボールの弾性は、メソアメリカの球戯が行われていたような古い時期からスポーツの特徴の一つになっていた[2]
飛行中に加わる力と運動への影響空中を回転しながら飛ぶボールに作用する重力(FG)、抗力(FD)、マグヌス力(FM)、浮力(FB)。

バウンドするボールの運動は、投射運動に従う[3][4]。現実のボールには、以下のような多くのが作用している。代表的なものとしては、重力(FG)、空気抵抗による抗力(FD)、ボールのスピンによるマグヌス力(FM)、浮力(FB)などがある[5]。一般に、ボールの運動を解析するには、これらの力全てを考慮に入れた上で運動方程式を用いればよい。なお、以下では面に対して水平でボールの進行方向と同じ向きをx軸、面に対して垂直な方向をy軸、面に対して水平でボールの進行方向に直交する向きをz軸とする。またそれぞれの軸の単位方向ベクトルをそれぞれi, j, kと表す。 ∑ F = m a F G + F D + F M + F B = m a = m d v d t = m d 2 r d t 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\sum \mathbf {F} &=m\mathbf {a} \\\mathbf {F} _{\text{G}}+\mathbf {F} _{\text{D}}+\mathbf {F} _{\text{M}}+\mathbf {F} _{\text{B}}&=m\mathbf {a} =m{\frac {d\mathbf {v} }{dt}}=m{\frac {d^{2}\mathbf {r} }{dt^{2}}}\end{aligned}}}

ここで、mはボールの質量である。また、a、v、rはそれぞれ、時間tにおけるボールの加速度速度位置を表す。
重力地面に衝突後、仰角70°で跳ね上がったボールが再び地面に到達するまでの弾道。.mw-parser-output .legend{page-break-inside:avoid;break-inside:avoid-column}.mw-parser-output .legend-color{display:inline-block;min-width:1.5em;height:1.5em;margin:1px 0;text-align:center;border:1px solid black;background-color:transparent;color:black}.mw-parser-output .legend-text{} :抵抗を考えない場合。 :レイノルズ数が小さくストークスの法則にしたがう空気抵抗を考える場合。 :レイノルズ数が大きくニュートンの抵抗法則にしたがう抵抗を考える場合。

重力は物体に対して鉛直下向きに働き、その大きさは以下の等式で表せる[6]。 F G = m g {\displaystyle F_{\text{G}}=mg}

ここでmはボールの質量、gは重力加速度であり、地球上では9.764 m/s2から9.834 m/s2の間の大きさとなる[7][注釈 1]。通常、重力以外のボールに働く力は、重力に比べると十分小さいため、重力の影響が支配的であるとする理想的な条件(英語版)の元で解析することがしばしばある。


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出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)
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