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English

力学的エネルギー保存則|基準の高さは任意にとれる

エネルギーで解くと、途中の経路を追わずに済みます。始めと終わりの つの状態だけ書けばよい。

速さだけを聞かれている問題では、運動方程式より短い道になります。時間が出てこないぶん、式も減る。

使えるのは保存力だけのとき

重力と弾性力しか働いていなければ、次の は動きません[1]

摩擦や空気抵抗が働くときは、この和が減る。減った量が、それらの力がした仕事の大きさになります[1]

摩擦の仕事は、摩擦力と滑った距離の積で出せます。だから経路を追う必要が出てくる。エネルギーで解く手軽さは、保存力だけのときの話です。

基準はどこにとってもよい

位置エネルギーの値そのものには意味がありません。効くのは 点の差だけ[3]

基準を上げれば両方の値が同じだけ下がるので、差は変わらない。だから計算が楽になる場所を選びます[2]

ふつうは低いほうの点を基準にとります。そうすれば片方の位置エネルギーが になり、書く項が つ減る。

例:高さ 5.0 m から落とす

静かに手を離した物体が、地面に届くときの速さを出します。基準を地面にとりました。

質量が消えます。 を入れる。

例:同じ高さの斜面をすべる

なめらかな斜面を の高さから滑り降りた場合も、式は変わりません。垂直抗力は動く向きと直角なので仕事をしない。

答えは で同じになります[3]。斜面の角度も、曲がっているかどうかも効かない。

効くのは高さの差だけ。経路を追わなくてよいのが、エネルギーで解く利点です。

例:摩擦のある斜面

度の斜面を、質量 の物体が斜面に沿って 滑り降ります。動摩擦係数は

下がった高さは なので、位置エネルギーは 減ります。

摩擦力は で、。これが にわたって働く。

残りが運動エネルギーになります[1]

摩擦がなければ でした。 が熱に変わったぶん、速さが落ちている[3]

例:ばねで押し出す

ばね定数 のばねを 縮め、 の物体を押し出します。床はなめらかとする。

たくわえられた弾性エネルギーは、三角形の面積で出ます。

ばねが自然の長さに戻ったところで、全部が運動エネルギーへ移る。

例:ばねで斜面を押し上げる

同じばねで、同じ物体を 度のなめらかな斜面へ押し出します。どこまで上がるか。

がすべて位置エネルギーに変わったところで止まる。

斜面に沿った距離は です。高さで答えるか斜面に沿った長さで答えるかは、問題文の聞き方で決まる。

例:振り子の最下点

長さ の糸を 度まで持ち上げて放します。最下点からの高さは

あとは落下と同じ式です[1]

糸の張力は、つねに動く向きと直角なので仕事をしません。円弧を描いていても、高さの差だけで答えが出る。

例:ループの最高点

半径 の輪の最下点を、 で通過します。最高点は 上。

回りきれる下限は です[3] はこれを上回っているので、輪から離れずに 周できる。

エネルギーで解く

始めと終わりの 状態だけ。速さは出るが、途中にかかる時間や力は出ない

運動方程式で解く

加速度を出して積み上げる。時間も途中の力も出るが、経路が変わると立て直しになる

答えを確かめる

エネルギーで出した答えは、運動方程式で解き直すと突き合わせられます。同じ問題を別の道具で解く形になるので、計算違いが見つかりやすい。

摩擦のある斜面の例でやってみます。斜面方向の加速度は次のとおり。

初速 進んだときの速さを、時間の入らない式で出す。

一致しました。逆に食い違ったときは、摩擦力に を掛け忘れているか、高さに を掛け忘れているかのどちらかであることが多い。

摩擦のようにエネルギーを減らす力を非保存力といいます。経路が長いほど奪う量が増えるので、始点と終点だけでは決まらない。

した仕事が経路によって変わる力。摩擦や空気抵抗がこれにあたり、位置エネルギーを定められない。

基準を変えて解く

高さ から落とす問題を、基準を地面ではなく の高さにとって解きました。答えはどうなりますか。

  • 地面を基準にしたときより小さくなる
  • 地面を基準にしたときより大きくなる
  • まったく同じ値になる
  • 位置エネルギーが負になるので解けない
__RESULT__

基準を上げると、始めの位置エネルギーは 、終わりは になります。差は のままで、 つめの選択肢の状況は起きません。負の位置エネルギーが出ても、式の上では何も困らない。

参考

Conservation of Energy - University Physics Volume 1, OpenStax
Energieerhaltungssatz - Technikermathe
Conservation de l'énergie mécanique - Étude de Physique
位置エネルギーの値そのものに意味はなく、効くのは $2$ 点の差だけ。基準を上げれば両方が同じだけ下がるので、答えは動きません。$5.0\ \mathrm{m}$ の落下、同じ高さの斜面、摩擦のある斜面、ばねで押し出す、ばねで斜面を押し上げる、振り子の最下点、ループの最高点と順に解いていきます。摩擦があると $34\ \mathrm{J}$ が熱へ逃げて $9.9$ が $8.0\ \mathrm{m/s}$ に落ちる。出した答えを運動方程式で解き直して突き合わせる確かめ方まで。