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このエネルギー保存則は, つりあいの位置からの変位 で表すことでより関係に表すことができるので紹介しておこう. ここで \( x_{0} \) の意味について確認しておこう. \( x(t)=x_{0} \) を運動方程式に代入すれば, \( \displaystyle{ \frac{d^{2}x_{0}}{dt^{2}} =0} \) が時間によらずに成立することから, 鉛直方向に吊り下げられた物体が静止しているときの位置座標 となっていることがわかる. すなわち, つりあいの位置 の座標が \( x_{0} \) なのである. したがって, 天井から \( l + \frac{mg}{k} \) だけ下降した つりあいの位置 を原点とし, つりあいの位置からの変位 を \( X = x- x_{0} \) とする. このとき, 速度 \( v \) が \( v =\frac{dx}{dt} = \frac{dX}{dt} \) であることを考慮すれば, \[\frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k X^{2} = \mathrm{const. 「保存力」と「力学的エネルギー保存則」 - 力学対策室. } \notag \] が時間的に保存することがわかる. この方程式には \( X^{2} \) だけが登場するので, 下図のように \( X \) 軸を上下反転させても変化はないので, のちの比較のために座標軸を反転させたものを描いた. 自然長の位置を基準としたエネルギー保存則 である.
下図のように、摩擦の無い水平面上を運動している物体AとBが、一直線上で互いに衝突する状況を考えます。 物体A・・・質量\(m\)、速度\(v_A\) 物体B・・・質量\(M\)、速度\(v_B\) (\(v_A\)>\(v_B\)) 衝突後、物体AとBは一体となって進みました。 この場合、衝突後の速度はどうなるでしょうか? -------------------------- 教科書などでは、こうした問題の解法に運動量保存則が使われています。 <運動量保存則> 物体系が内力を及ぼしあうだけで外力を受けていないとき,全体の運動量の和は一定に保たれる。 ではまず、運動量保存則を使って実際に解いてみます。 衝突後の速度を\(V\)とすると、運動量保存則より、 \(mv_A\)+\(Mv_B\)=\((m+M)V\)・・・(1) ∴ \(V\)= \(\large\frac{mv_A+Mv_B}{m+M}\) (1)式の左辺は衝突前のそれぞれの運動量、右辺は衝突後の運動量です。 (衝突後、物体AとBは一体となったので、衝突後の質量の総和は\(m\)+\(M\)です。) ではこのような問題を、力学的エネルギー保存則を使って解くことはできるでしょうか?
単振動の 位置, 速度 に興味が有り, 時間情報は特に意識しなくてもよい場合, わざわざ単振動の位置を時間の関数として知っておく必要はなく, エネルギー保存則を適用しようというのが自然な発想である. まずは一般的な単振動のエネルギー保存則を示すことにする. 続いて, 重力場中でのばねの単振動を具体例としたエネルギー保存則について説明をおこなう. ばねの弾性力のような復元力以外の力 — 例えば重力 — を考慮しなくてはならない場合のエネルギー保存則は二通りの方法で書くことができることを紹介する. 一つは単振動の振動中心, すなわち, つりあいの位置を基準としたエネルギー保存則であり, もう一つは復元力が働かない点を基準としたエネルギー保存則である. 【高校物理】「非保存力がはたらく場合の力学的エネルギー保存則」(練習編2) | 映像授業のTry IT (トライイット). 上記の議論をおこなったあと, この二通りのエネルギー保存則はただ単に座標軸の取り方の違いによるものであることを手短に議論する. 単振動の運動方程式と一般解 もあわせて確認してもらい, 単振動現象の理解を深めて欲しい. 単振動とエネルギー保存則 単振動のエネルギー保存則の二通りの表現 単振動の運動方程式 \[m\frac{d^{2}x}{dt^{2}} =-K \left( x – x_{0} \right) \label{eomosiE1}\] にしたがうような物体の エネルギー保存則 を考えよう. 単振動している物体の平衡点 \( x_{0} \) からの 変位 \( \left( x – x_{0} \right) \) を変数 \[X = x – x_{0} \notag \] とすれば, 式\eqref{eomosiE1}は \( \displaystyle{ \frac{d^{2}X}{dt^{2}} = \frac{d^{2}x}{dt^{2}}} \) より, \[\begin{align} & m\frac{d^{2}X}{dt^{2}} =-K X \notag \\ \iff \ & m\frac{d^{2}X}{dt^{2}} + K X = 0 \label{eomosiE2} \end{align}\] と変形することができる.
ばねの自然長を基準として, 鉛直上向きを正方向にとした, 自然長からの変位 \( x \) を用いたエネルギー保存則は, 弾性力による位置エネルギーと重力による位置エネルギーを用いて, \[\frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k x^{2} + mgx = \mathrm{const. } \quad, \label{EconVS1}\] ばねの振動中心(つりあいの位置)を基準として, 振動中心からの変位 \( x \) を用いたエネルギー保存則は単振動の位置エネルギーを用いて, \[\frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k x^{2} = \mathrm{const. } \label{EconVS2}\] とあらわされるのであった. 式\eqref{EconVS1}と式\eqref{EconVS2}のどちらでも問題は解くことができるが, これらの関係だけを最後に補足しておこう. 導出過程を理解している人にとっては式\eqref{EconVS1}と式\eqref{EconVS2}の違いは, 座標の平行移動によって生じることは予想できるであろう [1]. 式\eqref{EconVS1}の第二項と第三項を \( x \) について平方完成を行うと, & \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k x^{2} + mgx \\ & = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left( x^{2} + \frac{2mgx}{k} \right) \\ & = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left\{ \left( x + \frac{mg}{k} \right)^{2} – \frac{m^{2}g^{2}}{k^{2}}\right\} \\ & = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left( x + \frac{mg}{k} \right)^{2} – \frac{m^{2}g^{2}}{2k} ここで, \( m \), \( g \), \( k \) が一定であることを用いれば, \[\frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left( x + \frac{mg}{k} \right)^{2} = \mathrm{const. }
\label{subVEcon1} したがって, 力学的エネルギー \[E = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left( x – l \right)^{2} + mg\left( -x \right) \label{VEcon1}\] が時間によらずに一定に保たれていることがわかる. この第1項は運動エネルギー, 第2項はバネの弾性力による弾性エネルギー, 第3項は位置エネルギーである. ただし, 座標軸を下向きを正にとっていることに注意して欲しい. ここで, 式\eqref{subVEcon1}を バネの自然長からの変位 \( X=x-l \) で表すことを考えよう. これは, 天井面に設定した原点を鉛直下方向に \( l \) だけ移動した座標系を選択したことを意味する. また, \( \frac{dX}{dt}=\frac{dx}{dt} \) であること, \( m \), \( g \), \( l \) が定数であることを考慮すれば & \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left( x – l \right)^{2} + mg\left( -x \right) = \mathrm{const. } \\ \to \ & \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k X^{2} + mg\left( -X – l \right) = \mathrm{const. } \\ \to \ & \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k X^{2} + mg\left( -X \right) = \mathrm{const. } と書きなおすことができる. よりわかりやすいように軸の向きを反転させよう. すなわち, 自然長の位置を原点とし鉛直上向きを正とした力学的エネルギー保存則 は次式で与えられることになる. \[\frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k X^{2} + mgX = \mathrm{const. } \notag \] この第一項は 運動エネルギー, 第二項は 弾性力による位置エネルギー, 第三項は 重力による運動エネルギー である. 単振動の位置エネルギーと重力, 弾性力の位置エネルギー 上面を天井に固定した, 自然長 \( l \), バネ定数 \( k \) の質量を無視できるバネの先端に質量 \( m \) の物体をつけて単振動を行わせたときのエネルギー保存則について二通りの表現を与えた.
一緒に解いてみよう これでわかる!
したがって, \[E \mathrel{\mathop:}= \frac{1}{2} m \left( \frac{dX}{dt} \right)^{2} + \frac{1}{2} K X^{2} \notag \] が時間によらずに一定に保たれる 保存量 であることがわかる. また, \( X=x-x_{0} \) であるので, 単振動している物体の 速度 \( v \) について, \[ v = \frac{dx}{dt} = \frac{dX}{dt} \] が成立しており, \[E = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} K \left( x – x_{0} \right)^{2} \label{OsiEcon} \] が一定であることが導かれる. 式\eqref{OsiEcon}右辺第一項は 運動エネルギー, 右辺第二項は 単振動の位置エネルギー と呼ばれるエネルギーであり, これらの和 \( E \) が一定であるという エネルギー保存則 を導くことができた. 下図のように, 上面を天井に固定した, 自然長 \( l \), バネ定数 \( k \) の質量を無視できるバネの先端に質量 \( m \) の物体をつけて単振動を行わせたときのエネルギー保存則について考える. このように, 重力の位置エネルギーまで考慮しなくてはならないような場合には次のような二通りの表現があるので, これらを区別・整理しておく. つりあいの位置を基準としたエネルギー保存則 天井を原点とし, 鉛直下向きに \( x \) 軸をとる. この物体の運動方程式は \[m\frac{d^{2}x}{dt^{2}} =- k \left( x – l \right) + mg \notag \] である. この式をさらに整理して, m\frac{d^{2}x}{dt^{2}} &=- k \left( x – l \right) + mg \\ &=- k \left\{ \left( x – l \right) – \frac{mg}{k} \right\} \\ &=- k \left\{ x – \left( l + \frac{mg}{k} \right) \right\} を得る. この運動方程式を単振動の運動方程式\eqref{eomosiE1} \[m \frac{d^{2}x^{2}}{dt^{2}} =- K \left( x – x_{0} \right) \notag\] と見比べることで, 振動中心 が位置 \[x_{0} = l + \frac{mg}{k} \notag\] の単振動を行なっていることが明らかであり, 運動エネルギーと単振動の位置エネルギーのエネルギー保存則(式\eqref{OsiEcon})より, \[E = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left\{ x – \left( l + \frac{mg}{k} \right) \right\}^{2} \label{VEcon2}\] が時間によらずに一定に保たれていることがわかる.
基礎数学8 交流とベクトル その2 - YouTube
【問題】 【難易度】★★★☆☆(普通) 一次線間電圧が\( \ 66 \ \mathrm {kV} \ \),二次線間電圧が\( \ 6. 6 \ \mathrm {kV} \ \),三次線間電圧が\( \ 3. 3 \ \mathrm {kV} \ \)の三相三巻線変圧器がある。一次巻線には線間電圧\( \ 66 \ \mathrm {kV} \ \)の三相交流電源が接続されている。二次巻線に力率\( \ 0. 8 \ \),\( \ 8 \ 000 \ \mathrm {kV\cdot A} \ \)の三相誘導性負荷を接続し,三次巻線に\( \ 4 \ 800 \ \mathrm {kV\cdot A} \ \)の三相コンデンサを接続した。一次電流の値\( \ \mathrm {[A]} \ \)として,最も近いものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。ただし,変圧器の漏れインピーダンス,励磁電流及び損失は無視できるほど小さいものとする。 (1) \( \ 42. 0 \ \) (2) \( \ 56. 0 \ \) (3) \( \ 70. 0 \ \) (4) \( \ 700. 三 相 交流 ベクトル予約. 0 \ \) (5) \( \ 840. 0 \ \) 【ワンポイント解説】 内容は電力科目や法規科目で出題されやすい電力の計算問題ですが,一般的に受電端に設けることが多い電力用コンデンサを三次巻線に設けた少しひねった問題です。 三次巻線があることで,少し驚いてしまうかもしれませんが,電圧が違うのみで内容は同じなので,十分に解ける問題になるかと思います。 1. 有効電力\( \ P \ \mathrm {[W]} \ \)と無効電力\( \ Q \ \mathrm {[var]} \ \) 抵抗で消費される電力を有効電力\( \ P \ \mathrm {[W]} \ \)とリアクタンスで消費もしくは供給される電力を無効電力\( \ Q \ \mathrm {[var]} \ \)と呼び,図1のようにベクトル図を描きます。さらに,有効電力\( \ P \ \mathrm {[W]} \ \)と無効電力\( \ Q \ \mathrm {[var]} \ \)のベクトル和は皮相電力\( \ S \ \mathrm {[V\cdot A]} \ \)と呼ばれ, \[ \begin{eqnarray} S&=&\sqrt {P^{2}+Q^{2}} \\[ 5pt] \end{eqnarray} \] の関係があります。図1において,力率は\( \ \cos \theta \ \)で定義され, \cos \theta &=&\frac {P}{S} \\[ 5pt] となります。 2.
相電圧と線間電圧の関係 図2のような三相対称電源がある時,線間電圧との関係は図3のベクトル図のようになり,線間電圧の大きさ\( \ V \ \)は相電圧の大きさ\( \ E \ \)と比較すると, V &=&\sqrt {3}E \\[ 5pt] かつ\( \ \displaystyle \frac {\pi}{6} \ \)(30°)進みであることが分かります。 【解答】 (a)解答:(4) ワンポイント解説「2.
三角形ABO は、辺AO と 辺AB が相電流 \(I_{ab}\) と \(-I_{ca}\) なので、大きさが等しく、二等辺三角形になります。 2. P点は底辺BO を二等分します。 \(PO=\cfrac{1}{2}I_a\) になります。 3.
4 EleMech 回答日時: 2013/10/26 11:15 まず根本低な事から説明します。 電圧とは、1つの電位ともう1つの電位の電位差の事を言います。 この電位差は、三相が120°位相を持つ事により、それぞれの瞬時値が違う事で起こっています。 位相と難しく言いますが、簡単には相波形変化のズレの事なので、当然それぞれの瞬時値には電位差が生まれます。 この瞬時値の違いは、変圧器で変圧されても電位差として現れるので、各相の電位が1次側と同様に120°位相として現れる事になります。 つまり、V結線が変圧器2台であっても、各相が三相の電位で現れるので、三相電源として使用出来ます。 2 この回答へのお礼 ご回答ありがとうございます。 色んなアドバイスを頂き、なんとなくわかってきました。一度この問題を離れて勉強が進んできたときにまた考えてみたいと思います。 お礼日時:2013/10/27 12:58 単相トランスの一次側U,V、二次側u,vとして、これが2台あるわけです。 どちらにつないでもいいですけど、 三相交流の電源側RSTにR-U、S-V と S-V、T-Uのように2台の トランスをつなぎ二次側vを短絡すれば、u, vの位相、v, wの位相はそれぞれ2π/3ずれるのが 必然ではないですか? 6 私もそれが必然だとは思うのですが、なぜ2π/3ずれた2つの電源が三相交流になるのか、やっぱり不思議ですね…。 お礼日時:2013/10/24 23:05 No. 三相交流のデルタ結線│やさしい電気回路. 1 回答日時: 2013/10/24 22:04 >一般にV結線と言うときには、発電所など大元の電源から三相交流が供給されていることが前提になっているのでしょうか? ●三相交流は発電所から送電配電にいたる線路において採用されている方法です。V結線というのは単に変圧器の結線方法でしかなく、柱上変圧器ではよく使用される結線ですが、変電所ではスター結線、もしくはデルタ結線です。 三相三線式は送配電における銅量と搬送電力の比較において、もっとも効率のよい方式です。 >それとも、インバータやコンバータ等を駆使して位相が3π/2ずれた交流電源2つを用意したら、三相交流を供給可能なのでしょうか? ●それでも可能ですが、直流電源から三相交流を生成する場合などの特殊なケースだと思います。 なお、V結線がなぜ三相交流を供給できるのか分からないという点については、具体的にあなたの理解内容を提示してもらわないと指摘できません。 この回答への補足 私の理解内容というか、疑問点について補足させて頂きます。 三相交流は3本のベクトルで表されますが、V結線になると電源が1つなくなりベクトルが1本消えるということですよね?そこでV結線の2つの電源の和をマイナスとして捉えると、なくなった電源のベクトルにぴったり重なるため、電源が2つでも三相交流が供給できるという説明を目にしたのですが、なぜ2つの電源の和を「マイナス」にして考えることができるのかが疑問なのです。 デルタ結線の各負荷にそれぞれ0、π/3、2π/3の位相の電圧がかかり、三相交流にならないような気がするのですが…。なぜπ/3の位相を逆転させ4π/3のベクトルとして扱えるのかが不思議で仕方ありません。 補足日時:2013/10/24 22:58 4 この回答へのお礼 ご回答ありがとうございます。なんとか納得できました。 お礼日時:2013/10/30 20:59 お探しのQ&Aが見つからない時は、教えて!
8 \\[ 5pt] &=&6400 \ \mathrm {[kW]} \\[ 5pt] Q_{2} &=&S_{2}\sin \theta \\[ 5pt] &=&S_{2}\sqrt {1-\cos ^{2}\theta} \\[ 5pt] &=&8000 \times\sqrt {1-0. 8^{2}} \\[ 5pt] &=&8000 \times 0. 6 \\[ 5pt] &=&4800 \ \mathrm {[kvar]} \\[ 5pt] となる。無効電力\( \ Q_{2} \ \mathrm {[kvar]} \ \)は遅れ無効電力であり,三次側の無効電力\( \ Q_{\mathrm {C}} \ \mathrm {[kvar]} \ \)と大きさが等しいので,一次側の電源が供給する電力は有効電力分のみでありその大きさ\( \ P_{1} \ \mathrm {[kW]} \ \)は, P_{1} &=&P_{2} \\[ 5pt] となる。したがって,一次側の電流\( \ I_{1} \ \mathrm {[A]} \ \)は,一次側の力率が\( \ 1 \ \)であることに注意すると,ワンポイント解説「2. 交流回路の電力と三相電力｜電験3種ネット. 三相\( \ 3 \ \)線式送電線路の送電電力」より, P_{1} &=&\sqrt {3}V_{1}I_{1}\cos \theta \\[ 5pt] I_{1} &=&\frac {P_{1}}{\sqrt {3}V_{1}\cos \theta} \\[ 5pt] &=&\frac {6400\times 10^{3}}{\sqrt {3}\times 66 \times 10^{3}\times 1} \\[ 5pt] &≒&56. 0 \ \mathrm {[A]} \\[ 5pt] と求められる。
交流回路においては、コイルやコンデンサにおける無効電力、そして抵抗とコイル、コンデンサの合成電力である皮相電力と、3種類の電力があります。直流回路とは少し異なりますので、違いをしっかり理解しておきましょう。 ここでは単相交流回路の場合と三相交流回路の場合の2つに分けて解説していきます。 理論だけではなく、そのほかの科目でもとても重要な内容です。 必ず理解しておくようにしましょう。 1. 単相交流回路 下の図1の回路について考えます。 (1)有効電力(消費電力) 有効電力とは、抵抗で消費される電力のことを指します。消費電力と言うこともあります。 有効電力の求め方については直流回路における電力と同じです。 有効電力を 〔W〕とすると、 というように求めることもできます。 (2)無効電力 無効電力とは、コイルやコンデンサにおいて発生する電力のことを指します。 コイルの場合は遅れ無効電力、コンデンサの場合は進み無効電力となります。 無効電力の求め方も同じです。 コイルによる無効電力を 〔var〕、コンデンサによる無効電力を 〔var〕とすると、次の式で求められます。 (3)皮相電力 抵抗・コイル・コンデンサによる合成電力を皮相電力といい、単位は〔V・A〕です。 これは、負荷全体にかかっている電圧 〔V〕と、流れている電流 〔A〕をかけ算することにより求まります。 また、有効電力と無効電力をベクトルで足し算することによっても求まります。 下の図2では皮相電力を 〔V・A〕とし、合成無効電力を 〔var〕としています。 上の図より、有効電力 と無効電力 は、皮相電力 との関係より、次の式で求めることもできます。 2. 三相交流回路 三相交流回路においても、基本的な考え方は単相交流回路と同じです。 相電圧を 〔V〕、相電流を 〔A〕とすると、一相分の皮相電力は、 〔V・A〕になります。 三相分は3倍すれば良いので、三相分の皮相電力 は、 〔V・A〕 という式で求められます。 図2の電力のベクトル図は、三相交流回路においても同様に考えることができますので、三相分の有効電力を 〔W〕、無効電力を 〔var〕とすると、次の式で求めることができます。 これらは相電圧と相電流から求めていますが、線間電圧 〔V〕と線電流 〔A〕より求める場合は次のようになります。 〔W〕 〔var〕