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速さが 2 倍なら運動エネルギーは 4 倍(車が止まるまでの距離で見る)

時速 で走る車と、時速 で走る同じ車。ブレーキを踏んでから止まるまでの距離は、 倍ではなく 倍になります。

速さを 倍にすると 倍になる量が、車のなかに溜まっている。それが運動エネルギーです。

質量に比例し、速さの 2 乗に比例する

質量 の物体が速さ で動いているとき、運動エネルギー は次の式で決まります。

乗、 乗。ここが効きます。質量を 倍にすると 倍ですが、速さを 倍にすると 倍になる。

単位はジュール(記号 )です。 の物体が で動いていれば

例: の車

時速 は秒速に直すと です。 という割り算になる。

時速 なら で、同じ式に入れます。

万と 万で、ちょうど 倍。速さが 倍になると、 の部分が 倍になるためです。

重いより速いほうが効く

の力士がゆっくり歩いてくる場面と、 の人が全力で走ってくる場面を比べます。

歩く速さを 、走る速さを としました。

質量は 倍も違うのに、運動エネルギーは軽いほうが大きい。速さの差が 倍あり、 乗されて 倍になるためです。

止まるまでの距離も 2 乗で伸びる

冒頭の 倍は、ここから出ます。ブレーキの効き方が同じなら、車は一定の割合で減速する。

等加速度直線運動の式 を、距離について解きます。

距離 に比例しています。減速の大きさを として、 つの速さを入れる。

。速さが 倍なら、止まるまでの距離も 倍になる。

速度制限が 下がるだけで止まる距離が大きく縮むのは、この 乗のためです。

ジュールがどれくらいか

は、 の力で物体を 動かすときの量です。 ほどの物を支える力になる。

身のまわりの値を並べます。

できごと運動エネルギー
歩く人(60 kg、1.4 m/s)59 J
自転車(80 kg、5.0 m/s)1000 J
野球のボール(0.145 kg、40 m/s)116 J
車(1500 kg、11.1 m/s)9.3 万 J

ボールは軽いので、速くても車とは桁がまるで違う。 の物を 持ち上げるのに要るのが約 なので、自転車の 持ち上げる量にあたります。

速さを 倍にすると、運動エネルギーは何倍になりますか。

__RESULT__

倍になるので、 倍になります。質量を 倍にした場合は 乗なので 倍で、こちらとは効き方が違います。

の物体が で動いています。運動エネルギーはいくつですか。

__RESULT__

です。 をかけ忘れた の値、 をかけ忘れた の値になります。

速さの 乗という一点だけで、この量のふるまいはほとんど決まります。ぶつかったときの効き方も、止まるまでの距離も、そこから読めます。

時速 $40\ \mathrm{km}$ と $80\ \mathrm{km}$ では、止まるまでの距離が $2$ 倍ではなく $4$ 倍違います。$K = \dfrac{1}{2}mv^2$ の $v$ が $2$ 乗で効くためで、$1500\ \mathrm{kg}$ の車なら $9.3$ 万 J と $37$ 万 J。質量は $1$ 乗なので、$200\ \mathrm{kg}$ が $2.0\ \mathrm{m/s}$ で歩くより $45\ \mathrm{kg}$ が $5.0\ \mathrm{m/s}$ で走るほうが大きくなる。等加速度運動の $s = \dfrac{v^2}{2a}$ から距離も $2$ 乗で伸び、$10\ \mathrm{m}$ が $41\ \mathrm{m}$ に。ジュールの大きさは、歩く人や自転車の値と並べて確かめます。