第3章 他分野への応用(ロケット)
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Transcript 第3章 他分野への応用(ロケット)
数楽(微分方程式を使おう!)
~第3章 他分野への応用(基礎編)~
平成19年9月12日
技術1課 佐藤 強
第3章
他分野への応用(年代測定法)
課題1:放射性物質の崩壊と半減期
放射性物質である炭素同位元素14による年代測定法
の原理を微分方程式を使って、調べてみよう!
「時刻 t で崩壊する放射性物質の割合は、その時刻で
のその物質の量 M に比例する」
dM
sM
dt
どっかで見たような!?
第3章
他分野への応用(年代測定法)
式が同じなら解も同じ
M M 0 e s ( t t 0 )
t
t t0 M M 0
M/M0
M/M0
1.2
-10000
1
-8000
0.785056
-6000
0.616313
-4000
0.48384
-2000
0.379842
0
0.298197
0.4
2000
0.234102
0.2
1
0.8
0.6
M/M0
0
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
0
2000
第3章
他分野への応用(年代測定法)
放射性物質に関連して、よく耳にする半減期を求める
M0
M 0 e s (T t 0 )
2
M0
t T M
2
答えは
log e 2 0.693
T t0
s
s
【プチトレビア】
プルトニウム239 24000年
ウラン235 7億年
第3章
他分野への応用(年代測定法)
炭素同位元素14による年代測定法
半減期 5730年
崩壊率 1.210ⅹ10^‐4/年
生体は空気中から絶えず炭素同位元素を体内に取り込むため、
生きている動植物に含まれる炭素同位元素の量は一定である。
しかし、生体が死ぬと炭素同位元素は新規に吸収されなくなる
ため指数関数的に減少し始めます。
たとえば、縄文土器が作られた年代を測定するには、その土器
にこびりついた食物の化石(どんぐりなど)を利用します。
第3章
他分野への応用(年代測定法)
現在残っている同位元素の量(測定可能)
↓
M (t ) M 0 e st
← S はすでに
分かっている
↑
最初の同位元素の量(今、現存するどんぐりで測定可能)
第3章
他分野への応用(年代測定法)
1
M (0)
t log e
s
M (t )
現在のどんぐりの炭素同位元素量と
化石の炭素同位元素量を測定し、
炭素同位元素の崩壊率から、時間 t が求まるわけです。
下記に炭素同位元素14の年代測定法の詳細が記載されてます。
http://www.uraken.net/rekishi/reki-kodai07.html
第3章
他分野への応用(RC回路)
課題2:コンデンサーを含む電気回路
満充電されたコンデンサーに抵抗をつなぎ、電荷
である電流を抵抗で消費させます。
このときの電荷を時間の関数として表してみよう!
S
満充電のコンデンサー C
R
第3章
他分野への応用(RC回路)
コンデンサーと抵抗が閉じた回路を形成するとき、
両者の電圧の和はゼロになる。(時間が経ったとき)
VC VR 0
Q
Q CVCより、VC
C
dQ
dQ
VR IR、I
VR R
dt
dt
第3章
他分野への応用(RC回路)
Q
dQ
R
0
C
dt
dQ
1
Q
dt
RC
こういう式ができますね。
どっかで見たような!?
式が同じなら解も同じ→
Q Q0 e
t t0
RC
第3章
Q Q0 e
他分野への応用(RC回路)
t t0
RC
t0 0
Q
e
Q0
t
RC
時定数RCを可変として
コンデンサーの「放電」の様子を
Excelに書かせてみよう!
第3章
他分野への応用(ロケット)
課題3:ロケットが飛んでゆく
燃料を消費しながら加速して飛んでゆくロケット
燃料をすべて消費したとき、どのくらいの速度に
なっているか調べてみよう!
・ロケットの総重量 M
・燃料以外の質量 m (宇宙なので空気抵抗、重力を無視)
第3章
運動方程式
他分野への応用(ロケット)
F ma これは質量が一定の場合のみ
質量が変化するときは????
こんなときは p mv 運動量の式を利用して
dP d (mv)
F
dt
dt
時刻 t の運動量
mv
時刻 t +⊿t の運動量 (m ⊿m)(v ⊿v) u⊿m
第3章
他分野への応用(ロケット)
運動量の保存則より mv (m ⊿m)(v ⊿v) u⊿m
第3章
他分野への応用(ロケット)
まとめると、
m⊿v (v u )⊿m 0 となり、v u Vとすると
m⊿v V⊿m
このVはロケットから見た燃料の相対速度
であり、常に一定と考える。(常時一定の速度で燃料を燃やす)
m ⊿m
dm
m
⊿v 0
V
⊿v
dv
V
1
1
dm dv
Vは定数と見なせる
m
V
1
1
dm
dv
m
V
1
log e m v C
V
m ce
1
v
V
第3章
m ce
cM
1
v
V
他分野への応用(ロケット)
という一般解に
すなわち、特殊解は
M e ln M
と書けるので
両辺の対数をとれば、
v 0m M
m Me
me
1
v
V
1
v ln M
V
1
ln m v ln M
V
第3章
他分野への応用(ロケット)
1
ln m v ln M
V
v について解けば、
v V (ln M ln m)
M:最初の質量
M
v V ln
m
m:ある時点の質量
V:噴射速度
v:ある時点の速度
↑ ツイオルコフスキーの公式
第3章
他分野への応用(ロケット)
M
v V ln
m0
一般的に噴射速度V=3km/s
人工衛星を軌道にのせるためには
v=7.8km/s
7.8 3 ln
M
M
ln
2.6
m0
m0
m0 0.074M・・・燃料以外に使える質量は7.4%程度
H‐Ⅱロケットでは、4tの人工衛星を打ち上げるの
に219tの燃料を使用しているということです。