物理基礎　力学13　位置エネルギーと運動エネルギー

どうも、やまとです。

「エネルギー」という言葉は、日常用語のような気もします。社会問題として「エネルギー問題」がありますし、「彼はエネルギッシュな人だ」なんていう言い方もします。では、エネルギーとは一体何なのか。科学用語としての定義をしていきましょう。

エネルギーという言葉から石炭や石油が連想されるのは、これらが「エネルギー資源」と呼ばれるエネルギーを生み出すモノだからでしょう。まず大切なのは、エネルギーは物質ではありません。仕事をする能力のことです。そして物体がエネルギーを持つためには、誰かが仕事をしなければなりません。そう、仕事とエネルギーは裏表の関係、仕事をされた物体はエネルギーを蓄え、その蓄えたエネルギーで他の物体に対して仕事をしてエネルギーを消費するのです。

まずは位置エネルギーです。これは物体の位置によって定められるエネルギーです。位置エネルギーはそれを生じさせる力によっていくつかの種類があるので”～力による位置エネルギー”という形で表現します。

重力による位置エネルギーは物体の高さによって決まります。物体を静かに持ち上げるときに、外力がした仕事に等しいエネルギーを蓄えます。された仕事の分だけエネルギーを蓄える、という考えを定着させましょう。

重力による位置エネルギーは、必ず”基準水平面”を決めます。その基準からの高さによって、正・0・負の値をとります。物体が基準より上にあれば正、物体が基準上にあれば0、物体が基準より下にあれば負です。基準が問題によって定められているときにはそれに従いましょう。そうでないときには自分で決めましょう。

ばねに繋がれた物体には弾性力がはたらきます。弾性力はばねの伸び(縮み)によって値が変わるので、仕事を求めるためにはグラフの面積から求めます。一定の力の場合と弾性力の場合のグラフを比較してください。弾性力のグラフは三角形の面積になるので、外力がする仕事は図のようになります。この仕事分をエネルギーとして蓄えます。

運動している物体が持っているエネルギーが運動エネルギーです。これは運動方程式と等加速度直線運動の式から求めます。

上のように式変形をしていくと、このときの外力がした仕事の形が求まります。これが運動している物体に蓄えられている運動エネルギーです。今までに得た知識からつくられているのがポイントです。

物理基礎の力学で出てくるエネルギーは、重力による位置エネルギー、弾性力による位置エネルギー、運動エネルギーの３つです。まずはこの式を覚えておいてください。