後期中間試験テスト対策/ロボット工学/壁の問題
図のように壁に立てかけられた剛体を考えます。剛体には,摩擦力F1,F2と垂直抗力R1,R2,と重力mgが働きます。また床の摩擦係数をμ1,壁の摩擦係数をμ2とし,剛体の長さはlとします。図の摩擦力 F1, F2は壁の摩擦係数と抗力との積で表されるので
のようになります。力のつりあいは,図の垂直方向と水平方向を考えます。水平方向は床に接地している剛体の摩擦力 F1と壁との抗力 R2がつりあいます。垂直方向は壁の摩擦力F2と床の抗力R1と重力mgがつりあいます。これより
の式を得ます。さらに床に接地している部分を中心とした力のモーメントを考えます。力のモーメントとは,(中心からの距離)×(中心からの方向と垂直方向の力)で表せるので力のモーメントは,重力と壁の抗力,摩擦力を考慮すると,
という力のモーメントN(トルク)を得ます。
トルクが正の方向に働くということは,接地部分を中心に壁側へ倒れようとする力が大きいわけです。反対に負の方向に働くということは,壁側で無い方向に倒れようとすることです。いま,この壁にたてかかっている状態がくずれる場合には,このモーメントが0より大きくなるときです。今は条件式を出すために N=0の場合を計算します。
先ほどの式にN=0を代入し,移項すると次の式となります。
2行目では両辺に2を掛け,三行目は両辺をR2で割っています。
さて,初めの摩擦力Fiの式を力のつりあいの式に代入することで
を得ることができます。さらに上の式をR1で割り逆数をとり,下の式をR2で割ると次の式を得ます。
上の式を下の式に代入することで次の式を得ます。
この式を先ほどの mg/R2に代入してやることにより,
となります。あとは両辺をcosθで割り,簡単に整理することでtanθを求めることができます。ここで忘れてはならないのがN=0のこと。本当はN>0で計算を行わなければなりませんでした。この不等号を考慮してやると
を得ます。つまりこの条件のときに剛体は崩れてしまうのです。この式をよく見てください。床の摩擦係数μ1が大きければ大きいほどtanθの値が小さくなります。つまりかなり傾いた状態でもその状態を保っておくことができるのです。
2005年12月01日(木) 13:49:21 Modified by c_5
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