時刻 \( t \) において位置 に存在する物体の 力学的エネルギー \( E(t) \) \[ E(t)= K(t)+ U(\boldsymbol{r}(t))\] と定義すると, \[ E(t_2)- E(t_1)= W_{\substack{非保存力}}(\boldsymbol{r}(t_1)\to \boldsymbol{r}(t_2)) \label{力学的エネルギー保存則}\] となる. この式は力学的エネルギーの変化分は重力以外の力が仕事によって引き起こされることを意味する. 力学的エネルギーの保存 振り子の運動. 力学的エネルギー保存則とは, 保存力以外の力が仕事をしない時, 力学的エネルギーは保存する ことである. 力学的エネルギー: \[ E = K +U \] 物体が運動する間に保存力以外の力が仕事をしなければ力学的エネルギーは保存する. 始状態の力学的エネルギーを \( E_1 \), 終状態の力学的エネルギーを \( E_2 \) とする. 物体が運動する間に保存力以外の力が仕事 をおこなえば力学的エネルギーは運動の前後で変化し, 次式が成立する. \[ E_2 – E_1 = W \] 最終更新日 2015年07月28日
塾長 これが、 『2. 非保存力が働いているが、それらが仕事をしない(力の方向に移動しない)とき』 ですね! なので、普通に力学的エネルギー保存の法則を使うと、 $$0+mgh+0=\frac{1}{2}mv^2+0+0$$ (運動エネルギー+位置エネルギー+弾性エネルギー) $$v=\sqrt{2gh}$$ となります。 まとめ:力学的エネルギー保存則は必ず証明できるようにしておこう! 今回は、 『どういう時に、力学的エネルギー保存則が使えるのか』 について説明しました! 力学的エネルギー保存則が使える時 1. 力学的エネルギー保存則実験器 - YouTube. 保存力 (重力、静電気力、万有引力、弾性力) のみ が仕事をするとき 2. 非保存力が働いているが、それらが仕事をしない (力の方向に移動しない)とき これら2つのときには、力学的エネルギー保存の法則が使えるので、しっかりと覚えておきましょう! くれぐれも、『この問題はこうやって解く!』など、 解法を問題ごとに暗記しない でください ね。
子どもの勉強から大人の学び直しまで ハイクオリティーな授業が見放題 この動画の要点まとめ ポイント エネルギーの保存 これでわかる!
下図に示すように, \( \boldsymbol{r}_{A} \) \( \boldsymbol{r}_{B} \) まで物体を移動させる時に, 経路 \( C_1 \) の矢印の向きに沿って力が成す仕事を \( W_1 = \int_{C_1} F \ dx \) と表し, 経路 \( C_2 \) \( W_2 = \int_{C_2} F \ dx \) と表す. 保存力の満たすべき条件とは \( W_1 \) と \( W_2 \) が等しいことである. \[ W_1 = W_2 \quad \Longleftrightarrow \quad \int_{C_1} F \ dx = \int_{C_2} F \ dx \] したがって, \( C_1 \) の正の向きと の負の向きに沿ってグルっと一周し, 元の位置まで持ってくる間の仕事について次式が成立する. \[ \int_{C_1 – C_2} F \ dx = 0 \label{保存力の条件} \] これは ある閉曲線をぐるりと一周した時に保存力がした仕事は \( 0 \) となる ことを意味している. 高校物理で出会う保存力とは重力, 電気力, バネの弾性力など である. これらの力は, 後に議論するように変位で積分することでポテンシャルエネルギー(位置エネルギー)を定義できる. 下図に描いたような曲線上を質量 \( m \) の物体が転がる時に重力のする仕事を求める. 力学的エネルギーの保存 指導案. 重力を受けながらある曲線上を移動する物体 重力はこの経路上のいかなる場所でも \( m\boldsymbol{g} = \left(0, 0, -mg \right) \) である. 一方, 位置 \( \boldsymbol{r} \) から微小変位 \( d\boldsymbol{r} = ( dx, dy, dz) \) だけ移動したとする. このときの微小な仕事 \( dW \) は \[ \begin{aligned}dW &= m\boldsymbol{g} \cdot \ d\boldsymbol{r} = \left(0, 0, – mg \right)\cdot \left(dx, dy, dz \right) \\ &=-mg \ dz \end{aligned}\] である. したがって, 高さ \( z_B \) の位置 \( \boldsymbol{r}_B \) から高さ位置 \( z_A \) の \( \boldsymbol{r}_A \) まで移動する間に重力のする仕事は, \[ W = \int_{\boldsymbol{r}_B}^{\boldsymbol{r}_A} dW = \int_{\boldsymbol{r}_B}^{\boldsymbol{r}_A} m\boldsymbol{g} \cdot \ d\boldsymbol{r} = \int_{z_B}^{z_A} \left(-mg \right)\ dz% \notag \\ = mg(z_B -z_A) \label{重力が保存力の証明}% \notag \\% \therefore \ W = mg(z_B -z_A)\] である.
力学的エネルギー保存則を運動方程式から導いてみましょう. 運動方程式を立てる 両辺に速度の成分を掛ける 両辺を微分の形で表す イコールゼロの形にする という手順で導きます. まず,つぎのような運動方程式を考えます. これは重力 とばねの力 が働いている物体(質量は )の運動方程式です. つぎに,運動方程式の両辺に速度の成分 を掛けます. 力学的エネルギーの保存 証明. なぜそんなことをするかというと,こうすると都合がいいからです.どう都合がいいのかはもう少し後で分かります. 式(1)は と微分の形で表すことができます.左辺は運動エネルギー,右辺第一項はバネの位置エネルギー(の符号が逆になったもの),右辺第二項は重力の位置エネルギー(の符号が逆になったもの),のそれぞれ時間微分の形になっています.なぜこうなるのかを説明します. 加速度 と速度 はそれぞれ という関係にあります.加速度は速度の時間微分,速度は位置の時間微分です.この関係を使って計算すると式(2)の左辺は となります.ここで1行目から2行目のところで合成関数の微分公式を使っています.式(3)は式(1)の左辺と一緒ですね.運動方程式に速度 をあらかじめ掛けておいたのは,このように運動方程式をエネルギーの微分で表すためです.同じように計算していくと式(2)の右辺の第1項は となり,式(2)の右辺第1項と同じになります.第2項は となり,式(1)の右辺第2項と同じになります. なんだか計算がごちゃごちゃしてしまいましたが,式(1)と式(2)が同じものだということがわかりました.これが言いたかったんです. 式(2)の右辺を左辺に移項すると という形になります.この式は何を意味しているでしょうか.カッコの中身はそれぞれ運動エネルギー,バネの位置エネルギー,重力の位置エネルギーを表しているのでした. それらを全部足して,時間微分したものがゼロになっています.ということは,エネルギーの合計は時間的に変化しないことになります.つまりエネルギーの合計は常に一定になるので,エネルギーが保存されるということがわかります.
今回はいよいよエネルギーを使って計算をします! 大事な内容なので気合を入れて書いたら,めちゃくちゃ長くなってしまいました(^o^; 時間をたっぷりとって読んでください。 力学的エネルギーとは 前回までに運動エネルギーと位置エネルギーについて学びました。 運動している物体は運動エネルギーをもち,基準から離れた物体は位置エネルギーをもちます。 そうすると例えば「高いところを運動する物体」は運動エネルギーと位置エネルギーを両方もちます。 こういう場合に,運動エネルギーと位置エネルギーを一緒にして扱ってしまおう!というのが力学的エネルギーの考え方です! 「一緒にする」というのはそのまんまの意味で, 力学的エネルギー = 運動エネルギー + 位置エネルギー です。 なんのひねりもなく,ただ足すだけ(笑) つまり,力学的エネルギーを求めなさいと言われたら,運動エネルギーと位置エネルギーをそれぞれ前回までにやった公式を使って求めて,それらを足せばOKです。 力学では,運動エネルギー,位置エネルギーを単独で用いることはほぼありません。 それらを足した力学的エネルギーを扱うのが普通です。 【例】自由落下 力学的エネルギーを考えるメリットは何かというと,それはズバリ 「力学的エネルギー保存則」 でしょう! 運動量保存？力学的エネルギー？違いを理系ライターが徹底解説！ - Study-Z ドラゴン桜と学ぶWebマガジン. (保存の法則は「保存則」と略すことが多い) と,その前に。 力学的エネルギーは本当に保存するのでしょうか? 自由落下を例にとって説明します。 まず,位置エネルギーが100Jの地点から物体を落下させます(自由落下は初速度が0なので,運動エネルギーも0)。 物体が落下すると,高さが減っていくので,そのぶん位置エネルギーも減少することになります。 ここで 「エネルギー = 仕事をする能力」 だったことを思い出してください。 仕事をすればエネルギーは減るし,逆に仕事をされれば, その分エネルギーが蓄えられます。 上の図だと位置エネルギーが100Jから20Jまで減っていますが,減った80Jは仕事に使われたことになります。 今回仕事をしたのは明らかに重力ですね! 重力が,高いところにある物体を低いところまで移動させています。 この重力のした仕事が位置エネルギーの減少分,つまり80Jになります。 一方,物体は仕事をされた分だけエネルギーを蓄えます。 初速度0だったのが,落下によって速さが増えているので,運動エネルギーとして蓄えられていることになります。 つまり,重力のする仕事を介して,位置エネルギーが運動エネルギーに変化したわけです!!
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