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荷物を持って歩いても仕事はゼロ:物理でいう仕事と仕事率

物体に力を加えて動かしたとき、その力がした仕事を次の式で定めます。

は力の大きさ、 は動いた距離、 は力と動く向きのなす角です。単位はジュール J を使う。

の力で、その向きに 動かせば 。 という関係になる。

効くのは動く向きの成分だけ

力が動く向きとずれているとき、仕事に効くのは動く向きの成分です。 がその成分になる。

垂直な成分は、どれだけ大きくても仕事をしません。物体をその向きに動かしていないからです。

荷物を斜め上に引いて水平に動かす場面を考えると、上向きの成分は荷物を持ち上げていない。水平の成分だけが距離を稼ぐ。

例:斜めに引いて動かす

の力で、水平から 度の向きに荷物を引き、水平に 動かします。

同じ を水平に加えれば になる。角度がついたぶん、半分に落ちる。

角度を に近づけるほど仕事は増える。ロープで引くとき、なるべく水平に引くほうが効率がよい。

仕事が 0 になる場合

つの場合があります。力が 、距離が 、そして力と動く向きが直角のとき。

なので、直角では成分がまったく残りません。

重い荷物を持ったまま水平に歩いても、支える力は仕事をしていない。体は疲れるものの、物理でいう仕事は です。

壁を全力で押しても、壁が動かなければ仕事は 。力を出すことと仕事をすることは別だという例になる。

垂直抗力

床が物体を押す力は床に垂直で、動く向きとは直角。水平に滑る間、仕事は

糸の張力

円運動をさせている糸の張力は、つねに速度と直角を向く。だから速さを変えられない

重力

水平に動く間は仕事が 。上下に動いたぶんだけ仕事をする

負の仕事

力が動く向きと逆を向いていると、 が負になります。仕事も負の値をとる。

負の仕事とは、その力が物体からエネルギーを奪っているという意味です。ブレーキも摩擦も空気の抵抗も、負の仕事をしている。

が 度を超えると負に転じる。真後ろ向きの 度で、大きさが最大になる。

例:ブレーキがする仕事

の摩擦力が働きながら 進んで止まりました。

が運動エネルギーから奪われたことになる。その分は熱に変わっている。

符号を落として とすると、エネルギーが増えた計算になってしまう。向きの扱いがそのまま符号に出る。

仕事の合計を出す

複数の力が働くときは、それぞれの仕事を足します。正の仕事と負の仕事が混ざれば、打ち消し合う。

合計の仕事は、合力がした仕事と一致する。先に合力を出してから計算しても、力ごとに計算して足しても同じ値になる。

正の仕事

力の成分が動く向きと同じ。物体にエネルギーを与え、速さが増す

負の仕事

力の成分が動く向きと逆。物体からエネルギーを奪い、速さが減る

仕事とエネルギーの関係

合計の仕事は、運動エネルギーの変化に等しくなります。

経路の形も、かかった時間も、この式には出てきません。始めと終わりの速さだけで決まる。

力を積分せずに速さが出せる点が便利です。運動方程式を解くより早く答えに届く場面が多い。

例:仕事から速さを出す

静止していた の物体に、合計 の仕事をしました。

同じ仕事を の物体にすると にしかなりません。速さは質量の平方根に反比例する。

重力がする仕事は高さで決まる

重力がする仕事は、通った道のりによらず高さの差だけで決まります。

まっすぐ落ちても、斜面を回り道しても、同じ高さぶん下がれば同じ仕事です。水平に動いた区間では重力が仕事をしないため、勘定に入らない。

こうした性質を持つ力を保存力といいます。摩擦は逆で、道のりが長いほど奪う量が増える。

例:持ち上げる仕事

の荷物を 持ち上げます。一定の速さで持ち上げるなら、加える力は重力とつり合う です。

このとき重力は の仕事をしている。合計は で、運動エネルギーは変わりません。

加えた仕事は位置エネルギーとして蓄えられた形になる。手を離せば、落ちながら運動エネルギーへ戻っていく。

仕事率

同じ仕事でも、短い時間で終えるほど能力が高いといえます。単位時間あたりの仕事を仕事率という。

単位はワット W です。 秒あたり の仕事をする能力が にあたる。

仕事の総量が同じなら、仕事率が高いほど早く終わる。エンジンやモーターの性能をワットで表す理由もそこにある。

例:仕事率を出す

さきほどの を で持ち上げた場合を計算する。

で持ち上げれば になる。仕事は同じでも、仕事率は 倍。

仕事率を力と速度で書く

一定の速さで動かしている間は、別の形が使えます。 と を組み合わせる。

力と速度の積が仕事率になる。同じ出力なら、速く動かすほど出せる力は小さくなる。

車が高速で加速しにくくなる事情もここにある。出力が一定なら、速さが増すほど余る力が減っていきます。

例:一定の速さで引く

の抵抗を受けながら、 で一定の速さを保って引きます。

速さを に上げると が要る。抵抗が同じでも、必要な出力は速さに比例して増える。

力を加える

その向きに距離を稼ぐ

仕事になる

距離を稼がなければ、どれだけ力を出しても仕事は です。この 段を意識すると、仕事が の場面を見落とさなくなる。

質量 の荷物を持ったまま、水平な床を 歩きました。荷物を支える力がした仕事はいくらですか。

__RESULT__

支える力は上向き、動いた向きは水平で、なす角は 度です。 なので仕事は になります。体が疲れることと、物理でいう仕事とは別の話です。

仕事は $W = Fs\cos\theta$ で、効くのは動く向きの成分だけです。荷物を持って水平に歩いても、壁を押して動かなくても、仕事は $0$。逆向きの力は負の仕事をして、エネルギーを奪います。合計の仕事は運動エネルギーの変化に等しく、経路も時間も式に出てきません。重力の仕事は高さの差だけで決まる。仕事率は $1$ 秒あたりの仕事で、$P = Fv$ とも書けます。出力が同じなら、速く動かすほど出せる力は小さくなる。車が高速で加速しにくくなる事情もここにあります。