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【イメージ重視の物理基礎】保存力の仕事は位置エネルギーとして考える

  • まずはザックリ理解したい
  • イメージを優先したい
  • 苦手を克服したい

このような方向けに解説をしていきます。

【今回わかること】

  • 保存力とはなにか
  • 保存力と位置エネルギーについて
  • 非保存力とはなにか

保存力とは「経路」と「仕事」がポイント

仕事×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。

エレベーターの場合は、重力50Nで力と逆向きに3m移動するので50×(-3)で150Jの仕事をします。

階段の場合は、1段のぼると重力50Nで力と逆向きに0.2m移動するので50×(-0.2)で-10Jの仕事をします。

さらに、1階から2階までの間に15段あるので、-10Jの仕事を15回くり返す。

つまり、-10×15で150Jの仕事をすることになります。

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

まこと
保存力の仕事は途中経路が関係ない!

 

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。

重力のする仕事を『重力による位置エネルギー』

弾性力のする仕事を『弾性力による位置エネルギー』

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。

まこと
保存力の仕事は位置エネルギーとして考える!

 

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。

まこと
非保存力は途中経路によって仕事の量が変わる力!

 

まとめ

  • 保存力とは『経路に関係なく、スタートとゴールだけで仕事の量が決まる力』のこと
  • 非保存力とは『経路によって仕事の量が変わる力』のこと
  • 重力・弾性力は代表的な保存力
  • 保存力の仕事は位置エネルギーとして考える

 

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