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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

この記事では

  • 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

というひと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

 

保存力とは経路と仕事がポイント

仕事『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。

階段とエレベーターを使って1階から2階まで行くとき、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、重力50Nで力の方向に3m移動するので50×3で150Jの仕事をします。

階段の場合、1段のぼると重力50Nで力の方向に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しょう

物体が上下に動くと毎回重力は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た方がシンプルです。

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です。

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ちがい

保存力は『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

今回は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、地面とタイヤの間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』『遠回りして進むとき』で、動摩擦力のする負の仕事はそれぞれどうなるでしょうか。

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が長いです。

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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