\notag \] であり, 座標軸の原点をつりあいの点に一致させるために \( – \frac{mg}{k} \) だけずらせば \[\frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k x^{2} = \mathrm{const. } \notag \] となり, 式\eqref{EconVS1}と式\eqref{EconVS2}は同じことを意味していることがわかる. 最終更新日 2016年07月19日
単振動の 位置, 速度 に興味が有り, 時間情報は特に意識しなくてもよい場合, わざわざ単振動の位置を時間の関数として知っておく必要はなく, エネルギー保存則を適用しようというのが自然な発想である. まずは一般的な単振動のエネルギー保存則を示すことにする. 続いて, 重力場中でのばねの単振動を具体例としたエネルギー保存則について説明をおこなう. ばねの弾性力のような復元力以外の力 — 例えば重力 — を考慮しなくてはならない場合のエネルギー保存則は二通りの方法で書くことができることを紹介する. 一つは単振動の振動中心, すなわち, つりあいの位置を基準としたエネルギー保存則であり, もう一つは復元力が働かない点を基準としたエネルギー保存則である. 上記の議論をおこなったあと, この二通りのエネルギー保存則はただ単に座標軸の取り方の違いによるものであることを手短に議論する. 「保存力」と「力学的エネルギー保存則」 - 力学対策室. 単振動の運動方程式と一般解 もあわせて確認してもらい, 単振動現象の理解を深めて欲しい. 単振動とエネルギー保存則 単振動のエネルギー保存則の二通りの表現 単振動の運動方程式 \[m\frac{d^{2}x}{dt^{2}} =-K \left( x – x_{0} \right) \label{eomosiE1}\] にしたがうような物体の エネルギー保存則 を考えよう. 単振動している物体の平衡点 \( x_{0} \) からの 変位 \( \left( x – x_{0} \right) \) を変数 \[X = x – x_{0} \notag \] とすれば, 式\eqref{eomosiE1}は \( \displaystyle{ \frac{d^{2}X}{dt^{2}} = \frac{d^{2}x}{dt^{2}}} \) より, \[\begin{align} & m\frac{d^{2}X}{dt^{2}} =-K X \notag \\ \iff \ & m\frac{d^{2}X}{dt^{2}} + K X = 0 \label{eomosiE2} \end{align}\] と変形することができる.
\label{subVEcon1} したがって, 力学的エネルギー \[E = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left( x – l \right)^{2} + mg\left( -x \right) \label{VEcon1}\] が時間によらずに一定に保たれていることがわかる. この第1項は運動エネルギー, 第2項はバネの弾性力による弾性エネルギー, 第3項は位置エネルギーである. ただし, 座標軸を下向きを正にとっていることに注意して欲しい. ここで, 式\eqref{subVEcon1}を バネの自然長からの変位 \( X=x-l \) で表すことを考えよう. これは, 天井面に設定した原点を鉛直下方向に \( l \) だけ移動した座標系を選択したことを意味する. また, \( \frac{dX}{dt}=\frac{dx}{dt} \) であること, \( m \), \( g \), \( l \) が定数であることを考慮すれば & \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left( x – l \right)^{2} + mg\left( -x \right) = \mathrm{const. 【高校物理】「非保存力がはたらく場合の力学的エネルギー保存則」(練習編2) | 映像授業のTry IT (トライイット). } \\ \to \ & \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k X^{2} + mg\left( -X – l \right) = \mathrm{const. } \\ \to \ & \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k X^{2} + mg\left( -X \right) = \mathrm{const. } と書きなおすことができる. よりわかりやすいように軸の向きを反転させよう. すなわち, 自然長の位置を原点とし鉛直上向きを正とした力学的エネルギー保存則 は次式で与えられることになる. \[\frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k X^{2} + mgX = \mathrm{const. } \notag \] この第一項は 運動エネルギー, 第二項は 弾性力による位置エネルギー, 第三項は 重力による運動エネルギー である. 単振動の位置エネルギーと重力, 弾性力の位置エネルギー 上面を天井に固定した, 自然長 \( l \), バネ定数 \( k \) の質量を無視できるバネの先端に質量 \( m \) の物体をつけて単振動を行わせたときのエネルギー保存則について二通りの表現を与えた.
このエネルギー保存則は, つりあいの位置からの変位 で表すことでより関係に表すことができるので紹介しておこう. ここで \( x_{0} \) の意味について確認しておこう. \( x(t)=x_{0} \) を運動方程式に代入すれば, \( \displaystyle{ \frac{d^{2}x_{0}}{dt^{2}} =0} \) が時間によらずに成立することから, 鉛直方向に吊り下げられた物体が静止しているときの位置座標 となっていることがわかる. すなわち, つりあいの位置 の座標が \( x_{0} \) なのである. 2つの物体の衝突で力学的エネルギー保存則は使えるか？ - 力学対策室. したがって, 天井から \( l + \frac{mg}{k} \) だけ下降した つりあいの位置 を原点とし, つりあいの位置からの変位 を \( X = x- x_{0} \) とする. このとき, 速度 \( v \) が \( v =\frac{dx}{dt} = \frac{dX}{dt} \) であることを考慮すれば, \[\frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k X^{2} = \mathrm{const. } \notag \] が時間的に保存することがわかる. この方程式には \( X^{2} \) だけが登場するので, 下図のように \( X \) 軸を上下反転させても変化はないので, のちの比較のために座標軸を反転させたものを描いた. 自然長の位置を基準としたエネルギー保存則 である.
したがって, \[E \mathrel{\mathop:}= \frac{1}{2} m \left( \frac{dX}{dt} \right)^{2} + \frac{1}{2} K X^{2} \notag \] が時間によらずに一定に保たれる 保存量 であることがわかる. また, \( X=x-x_{0} \) であるので, 単振動している物体の 速度 \( v \) について, \[ v = \frac{dx}{dt} = \frac{dX}{dt} \] が成立しており, \[E = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} K \left( x – x_{0} \right)^{2} \label{OsiEcon} \] が一定であることが導かれる. 式\eqref{OsiEcon}右辺第一項は 運動エネルギー, 右辺第二項は 単振動の位置エネルギー と呼ばれるエネルギーであり, これらの和 \( E \) が一定であるという エネルギー保存則 を導くことができた. 下図のように, 上面を天井に固定した, 自然長 \( l \), バネ定数 \( k \) の質量を無視できるバネの先端に質量 \( m \) の物体をつけて単振動を行わせたときのエネルギー保存則について考える. このように, 重力の位置エネルギーまで考慮しなくてはならないような場合には次のような二通りの表現があるので, これらを区別・整理しておく. つりあいの位置を基準としたエネルギー保存則 天井を原点とし, 鉛直下向きに \( x \) 軸をとる. この物体の運動方程式は \[m\frac{d^{2}x}{dt^{2}} =- k \left( x – l \right) + mg \notag \] である. この式をさらに整理して, m\frac{d^{2}x}{dt^{2}} &=- k \left( x – l \right) + mg \\ &=- k \left\{ \left( x – l \right) – \frac{mg}{k} \right\} \\ &=- k \left\{ x – \left( l + \frac{mg}{k} \right) \right\} を得る. この運動方程式を単振動の運動方程式\eqref{eomosiE1} \[m \frac{d^{2}x^{2}}{dt^{2}} =- K \left( x – x_{0} \right) \notag\] と見比べることで, 振動中心 が位置 \[x_{0} = l + \frac{mg}{k} \notag\] の単振動を行なっていることが明らかであり, 運動エネルギーと単振動の位置エネルギーのエネルギー保存則(式\eqref{OsiEcon})より, \[E = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left\{ x – \left( l + \frac{mg}{k} \right) \right\}^{2} \label{VEcon2}\] が時間によらずに一定に保たれていることがわかる.
今回、斜面と物体との間に摩擦はありませんので、物体にはたらいていた力は 「重力」 です。 移動させようとする力のする仕事(ここではA君とB君がした仕事)が、物体の移動経路に関係なく(真上に引き上げても斜面上を引き上げても関係なく)同じでした。 重力は、こうした状況で物体に元々はたらいていたので、「保存力と言える」ということです。 重力以外に保存力に該当するものとしては、 弾性力 、 静電気力 、 万有引力 などがあります。 逆に、保存力ではないもの(非保存力)の代表格は、摩擦力です。 先程の例で、もし斜面と物体の間に摩擦がある状態だと、A君とB君がした仕事は等しくなりません。 なお、高校物理の範囲では、「保存力=位置エネルギーが考慮されるもの」とイメージしてもらっても良いでしょう。 教科書にも、「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」「静電気力による位置エネルギー」などはありますが、「摩擦力による位置エネルギー」はありません。 保存力は力学的エネルギー保存則を成り立たせる大切な要素ですので、今後問題を解いていく際に、物体に何の力がはたらいているかを注意深く読み取るようにしてください。 - 力学的エネルギー
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