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English

運動エネルギーと位置エネルギーを仕事から組み立てる

物体に力 を加えて、その向きに距離 だけ動かしたとき、力がした仕事を次の式で定めます。

単位はジュール J です。 の力で 動かせば

エネルギーとは、仕事をする能力のことを指す。だからエネルギーの単位も J になる。

運動エネルギーは仕事から出てくる

静止した質量 の物体に一定の力 を加え、速さ になるまで加速させます。このとき力がした仕事を計算する。

加速度は で、等加速度運動の式から距離が出る。

これを に入れる。 なので が約分される。

加えた仕事が、そのまま物体に蓄えられた形。この量を運動エネルギーといいます。

運動エネルギーの式

質量に比例し、速さの 乗に比例する量。向きを持たないスカラーなので、右へ動いても左へ動いても正の値をとる。

運動量 を使うと、別の形にも書ける。

運動量がわかっていて速さがわからない場面では、この形のほうが早い。

例:運動エネルギーを数値で出す

の物体が で動いています。

同じ物体が になると になる。速さが 倍で、エネルギーは 倍です。

質量を 倍にした場合は で、こちらは 倍にとどまる。速さのほうがはるかによく効く。

速さの 2 乗が効く場面

自動車の事故が速度でひどくなる理由も、この 乗にある。速さが 倍でもエネルギーは 倍になる。

止まるまでに要る距離も同じ理屈で伸びる。ブレーキの摩擦力が一定なら、その力に距離を掛けたものが運動エネルギーと釣り合う。

距離 は速さの 乗に比例します。速度を 倍にすると、止まるまでに 倍の距離が要る。

例:制動距離を計算する

の車が で走り、摩擦力 でブレーキをかけます。

これを摩擦力で割ると距離が出る。

速さを にすると です。 倍の速さで 倍の距離を要する。

仕事とエネルギーの関係

力を加えたぶんだけ運動エネルギーが変わる、という形にまとめられます。

正の仕事をすれば速くなり、負の仕事をすれば遅くなる。ブレーキは進行方向と逆向きに力を加えるので、負の仕事をしています。

途中の経路や時間は式に出てきません。始めと終わりの速さだけで決まるところが、この関係の使いどころ。

位置エネルギー

高いところにある物体は、落ちる過程で仕事をする能力を持っています。この蓄えを位置エネルギーという。

質量 の物体を高さ まで持ち上げるには、重力 に逆らって だけ動かす必要がある。

は重力加速度で、およそ です。単位を確かめると となり、確かにエネルギーの単位になる。

基準のとり方は自由

は、どこから測った高さなのかを決めないと値が定まりません。

地面でも、机の上でも、好きな高さを にとってよい。基準を変えれば の値は変わりますが、物理の結論は変わりません。

差だけが意味を持つ。「机から 上がった」という変化は、基準をどこにとっても同じ になる。

無限に遠い点を基準にとる流儀もあり、そのときの位置エネルギーはつねに負の値になる。

地面より下、たとえば穴の底にある物体を考えると、地面を基準にした位置エネルギーはになります。負のエネルギーが不自然に見えても、差だけが効くので計算は正しく進む。

基準より低い位置にあることを表す符号。値そのものではなく、基準からどちら側にどれだけ離れているかを示す。

例:位置エネルギーを数値で出す

の物体が地面から の高さにあります。

の高さを基準に選び直すと になる。値は変わりますが、地面まで落ちるときの変化はどちらで測っても です。

保存力という条件

重力には、経路によらず仕事が決まるという性質があります。まっすぐ落ちても、斜面を回り道しても、同じ高さぶんの仕事は同じ。

この性質を持つ力を保存力といいます。重力と弾性力が代表で、位置エネルギーを定められるのは保存力だけ。

保存力

仕事が始点と終点だけで決まる。回り道をしても値が変わらないので、位置ごとにエネルギーを割り当てられる

非保存力

仕事が経路の長さに依存する。摩擦のように、長く動けば動くほど余計にとられるため、位置だけでは決まらない

力学的エネルギーの保存

運動エネルギーと位置エネルギーを足したものを力学的エネルギーと呼びます。

保存力しか働かないとき、この は動いている間ずっと同じ値をとる。高さが下がれば が減り、そのぶん が増える。

減った位置エネルギーが運動エネルギーへ移るだけで、合計は動かない。エネルギーの入れ物が つあって、中身をやりとりしているようなものです。

例:落下したときの速さ

の高さから静かに落とした物体が、地面に着くときの速さを求めます。

落とす前は 、地面では が最大。合計が等しいので、次の式が成り立つ。

両辺の が消えます。質量によらないという結論がここで出る。

軽い物体でも重い物体でも同じ速さで着地する。空気の抵抗を無視した場合の話。

例:斜面を滑り降りる

なめらかな斜面を、高さ の地点から滑り降りた場合を考える。

摩擦がなければ、垂直抗力は動く向きと直角なので仕事をしません。したがって高さの差だけが効く。

斜面の角度が急でも緩くても、同じ高さなら同じ速さになる。到達までの時間は変わりますが、速さは変わらない。

垂直に落とした場合とも一致します。経路によらないという保存力の性質が、そのまま答えに出ている。

例:振り子の最下点の速さ

長さ の糸につるしたおもりを、 度まで持ち上げて離します。

最下点からの高さは で求まる。 なので です。

糸の張力は運動の向きと直角なので、仕事をしません。高さの差だけで速さが決まる。

摩擦があると保存されない

摩擦力は動く向きと逆に働き、負の仕事をし続ける。動いた距離に比例して力学的エネルギーが減っていく。

減ったぶんは消えたわけではありません。熱に変わっていて、全体としてのエネルギーは保存されています。

力学的エネルギーの保存則は、あくまで保存力しか働かない場合の話。摩擦や空気の抵抗が効く場面では、失われるぶんを別に勘定する必要がある。

例:摩擦で止まるまでの距離

の物体が で水平面を滑り、動摩擦係数が の面で止まりました。

摩擦力は です。

この をすべて摩擦が食べるまで進む。

は熱になって面と物体を温めています。力学的エネルギーとしては失われた。

運動量とは別の量

運動エネルギーと運動量は、どちらも運動の激しさを表すのに違う量です。

速度への効き方

運動エネルギーは速さの 乗に比例し、運動量は 乗に比例する。速さが 倍なら 倍と 倍に分かれる

向きの有無

運動エネルギーはスカラーで常に正。運動量はベクトルで、逆向きなら打ち消し合って合計が になることもある

保存される場面

運動量は外力がなければいつでも保存される。運動エネルギーは摩擦や変形があると減り、保存されるとは限らない

同じ運動量を持つ つの物体でも、軽くて速いほうが大きな運動エネルギーを持つ。 の分母に があるためです。

質量 の物体を高さ から静かに落とすとき、地面に着く速さはどうなりますか。空気の抵抗は無視します。

  • 質量が大きいほど速くなる
  • 質量によらず になる
  • 質量が大きいほど遅くなる
  • 高さによらず一定になる
__RESULT__

の両辺から が消えるため、速さは質量に依存しません。高さだけが効き、 になります。空気の抵抗が効く場面では、この結論は成り立たなくなります。

静止した物体に力を加えて速さ $v$ にするまでの仕事を計算すると、$\dfrac{1}{2}mv^2$ がそのまま出てきます。高さ $h$ まで持ち上げる仕事が $mgh$ で、こちらが位置エネルギー。基準の高さは好きに選んでよく、意味を持つのは差だけです。$2$ つを足した力学的エネルギーは、保存力しか働かないあいだ変わらない。垂直に落としても斜面を滑っても振り子で振れても、同じ高さなら $v = \sqrt{2gh}$ になります。摩擦があると熱に移って減るので、$4.0\ \mathrm{m/s}$ の物体が動摩擦係数 $0.20$ の面で $4.1\ \mathrm{m}$ 進んで止まる。運動量との違いも並べました。