放物運動の計算(射程・最高点・飛んでいる時間)
打ち出す速さと角度を入れると、空気の抵抗を考えない場合の、飛んでいく水平の距離(射程)、いちばん高くなるときの高さ、着地するまでの時間を計算します。
くわしい条件を変える(なくても計算できます)
計算方法
打ち出す速さv0を、水平方向の速さvx = v0×cosθと、垂直方向の速さvy = v0×sinθに分けて考えます。垂直方向は、重力によって速さが変わる等加速度運動、水平方向は速さが変わらない等速運動として計算します。
打ち出す高さが0のとき、飛んでいる時間 = 2×vy÷g、最高点の高さ = vy²÷(2×g)、射程 = vx×飛んでいる時間です(gは重力加速度)。
例:速さ20m/s、角度45度で打ち出すと、水平・垂直方向の速さはどちらも約14.14m/sになり、射程は約40.79m、最高点の高さは約10.20mです。同じ速さでは、角度45度のときに射程がもっとも長くなります。
打ち出す高さが0でないときは、着地するまでの時間を、2次方程式の解の公式で計算しています。
出典:CODATA 2022 推奨値(標準重力加速度)、放物運動(水平投射・斜方投射)の運動方程式(力学の基本公式)
よくある質問
なぜ45度で射程が最大になるの?
射程は「2×v0²×sinθ×cosθ÷g」で表され、sinθ×cosθはθ=45度のときにいちばん大きくなるためです(打ち出す高さが0のとき)。
角度が0度や90度のときは?
0度は真横に投げ出す運動(射程はありますが高さは上がりません)、90度は真上に投げ上げる運動(射程は0になります)。
空気の抵抗は考えている?
いいえ。この計算は空気の抵抗を無視した、理想的な場合の値です。実際には、空気の抵抗によって射程は短くなります。
打ち出す高さが0でないときは?
崖の上から投げるときなどにあたります。着地までの時間が長くなる分、平地から投げるときより射程が伸びます。
最高点に達する時間は?
飛んでいる時間のちょうど半分ではなく、垂直方向の速さが0になる時間(=vy÷g)です。打ち出す高さが0のときは、飛んでいる時間のちょうど半分になります。