保存力の仕事は位置エネルギーとして考える【イメージ重視の物理基礎】

このような方向けに解説をしていきます。

保存力とは「経路」と「仕事」がポイント

仕事は『力×力の方向に移動した距離』で求めることができます。

今回は、重力のする仕事について考えてみましょう。

1階から2階まであがるとき、階段を使う場合とエレベーターを使う場合で、重力の仕事はどれくらい違うでしょうか。

この例からわかることは、『重力の仕事はどんなルートを通ったか関係ない。スタート地点とゴール地点で決まる』ということです。

このように、経路によらず仕事の量が決まる力のことを『保存力』と呼びます。

重力と弾性力の仕事は位置エネルギーとして考える

仕事とエネルギーの関係を考えるとき、重力と弾性力のする仕事は位置エネルギーとして考えます。

物体が上下に動くと重力は毎回仕事をすることになります。

それならば仕事として考えるのではなく、「高さに関係するエネルギーを持っている」と考える方がシンプルです。

つまり、仕事とエネルギーの関係式を作るときは、重力・弾性力以外の力がする仕事について考えるということになります。

非保存力と保存力の違い

保存力が「どんなルートを通ったかによらず、スタートとゴールで仕事の量が決まる力」なのに対して、非保存力は『通ったルートによって仕事の量が変わる力』です。

タイヤを引きながら走るトレーニングについて考えてみましょう。

タイヤを引きずっているときに、地面とタイヤのあいだには動摩擦力が働きます。

この動摩擦力は、タイヤが動く向きと逆向きに働くので負の仕事をします。

では、『真っすぐ進むとき』と『遠回りをして進むとき』では、動摩擦力のする負の仕事の量はどう違うでしょう。

真っすぐ進むときと比べると、遠回りをしているほうが移動距離は長いです。

つまりBのほうが動摩擦力のする負の仕事が多いということになります。

このように、通るルートによって仕事の量が変わってしまう力のことを『非保存力』と呼びます。

まとめ

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