蒼井優さんの風船の問題、牧野先生の解説
- sinwanohate
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NHK考えるカラス、蒼井優さんからの問題です。 管の両がわに大きな風船と小さな風船がついています。二つの風船はもともと同じ大きさです。管の弁を開いて空気を自由に行き来できるようにすると、風船はどのように変化するのでしょう。 pic.twitter.com/P70DTrmbLY
2014-06-11 23:31:32解答編:答えは1番。大きい方がさらに膨らみ、小さい方が縮む。経験的に、風船を膨らませるとき最初が一番たいへんで、ある程度膨らむと楽になるっていうのと関係あるのかな?つまり、風船のゴム自体の性質っていう説明でどうでしょう? pic.twitter.com/aw0SSeeLjn
2014-06-11 23:49:29この風船を 2 倍の大きさにふくらますと、もとの単位面積のエリアは 4 倍 の面積になる。単位長あたりの張力は、辺で積分した張力は倍だとすれば 変化しない。
2014-06-12 01:11:34そうすると、仕事の量としては 2 倍の直径の風船を微小体積膨らませるの は、もとの直径のものの 1/2 になる。張力は倍だが、伸ばす量が 1/4 なので。
2014-06-12 01:11:41なので、大きな風船に空気をいれるのは、小さい風船に同じ体積の空気 をいれるとより楽であり、そのため、 2 つつなぐと小さい側が縮んで大きいほ うがより膨らむ。
2014-06-12 01:11:43なんか美しくないな。まあ要するに、風船のポテンシャルエネルギーが、 半径を r として kr^2 と書ける、ということだ。そうすると、体積を V とするとこれは k'V^(2/3) になるから、微分してでてくる力は cV^(-1/3) となって直径が小さいほうが大きい。
2014-06-12 01:11:45風船は最初に有限の大きさを持つ、ということを考慮すると、 ポテンシャルエネルギーが k(r-r_0)^2 となる。なのでこれは ( 以下面倒 なので比例係数省略 ) [V^(1/3)-V_0^(1/3)]^2 。
2014-06-12 10:31:17つまり、 V^(2/3)-2V^(1/3)V_0^(1/3) で、力にすると (2/3)[V^(-1/3)-V^(-2/3)V_0^(1/3)]
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