未分類 2021. 03. 28 2020. 12. 24 今回は、「力学的エネルギー」と「力学的エネルギー保存則」という考え方について扱っていきます。 そもそも、「力学エネルギー」とはどんなものなのでしょうか?その説明をした後に、これを用いた考え方「力学的エネルギー保存則」を紹介していこうと思います! 【高校物理】 運動と力56 力学的エネルギー保存則 （１６分） - YouTube. 「力学的エネルギー」とは まずは「力学的エネルギー」からです。そもそも、「力学的エネルギー」とは何でしょうか?物理が苦手な人などは、すでにここからわかっていないと思います。大切な知識ですので、ここでしっかり抑えていきましょう(*´ω`) で、「力学的エネルギー」の正体は、ズバリ次の通りです! つまり、力学的エネルギーとは運動エネルギーと位置エネルギーと弾性エネルギーの和のことなんですね。 ここで、運動エネルギーとは「運動している物体が持っているエネルギー=1/2mv 2 」、位置エネルギーとは「ある位置にあることによって物体に蓄えられるエネルギー=mgh」、弾性エネルギーとは「バネの弾性力により蓄えられるエネルギー=1/2kx 2 」のことをいいます。 ここまではいいでしょうか?それではいよいよ、「力学的エネルギー保存則」について紹介していきます! 力学的エネルギー保存則 「力学的エネルギー保存則」とは、「熱の発生がなく(=動摩擦力が働いていない)、また、他の物体と力学的エネルギーのやり取りがない時、力学的エネルギーの和は一定である。」という法則です。(→※) したがって、力学の問題を解く時は、動摩擦力がなく、他の物体とのやりとり(ぶつかるなど)がない時は、力学的エネルギー保存則が使えます。 (逆に、力学の問題を解く前に、与えられた条件が力学的エネルギー保存則が使える状態か否かを確認してから使いましょう。) このページでは主に「力学的エネルギー」について扱ってきました。次回からは、この単元では絶対に合わせて覚えておかないといけない「仕事」について紹介していきます。それでは、今回は以上です。お疲れさまでした! 【※補足説明】~先ほどの一文の意味がイマイチわからなかった人へ~ 少し難しく感じた人もいるかも知れないので、もう少し掘り下げて説明しましょう。まず、それぞれの物体は力学的エネルギーである運動エネルギー、位置エネルギー、弾性エネルギーのいずれかを独自に持っています。そして、それらのエネルギーの和の値は基本的に一定に保たれるという法則があります。これがいわゆる「力学的エネルギー保存則」です。 しかし、それらの物体が熱を発した場合、熱もまたエネルギーの一種なので、熱になった分のエネルギーはどこかに行ってしまいます。その場合、力学的エネルギーの和は保存されませんよね。また、異なる物体同士がぶつかったりした場合、この二つの物体間でエネルギーのやり取りが生じてしまいます。この場合も、エネルギーが保存しませんね。つまり、「力学的エネルギー保存則」とは、熱の発生がなくて、他の物体との力学的エネルギーのやり取りがない時に成り立ちます。それが上で述べた言葉の意味です。 ちなみに、「熱の発生がなく(=動摩擦力が働いていない)」と書きましたが、その理由は、動摩擦力が働いている時に物体は発熱するからです。消しゴムを紙で激しくこすったり、木にやすりをかけたりすると、それらが熱くなった経験があると思いますが、まさにそれです。
いくら物体に力を加えても物体が動かなければ仕事をしたことにはならないというのだ. これは私たちの日常の感覚と少し違うかも知れない. 私たちは物が動こうが動くまいが, 一生懸命力を加えたらそれだけで筋肉に疲れを感じる. そして大仕事をしたと感じることであろう. しかし, 力を加えられた側の物体にとっては・・・そしてその物体を動かす為に人を雇った側の人間にとっては・・・何にも変化していないのだ. これでは仕事をしなかったのと同じである. この「仕事」という概念はいかにも効率を重んじる文化圏らしい考えだと思う. 精神論に傾きがちな日本では「やる気があって実際に物体を押してみたのだから評価してやるべきだ」という考えに陥って, もし日本で独自に物理学が誕生したとしてもそれ以上先へ進めなかったのではないかと思ってしまう. この仕事という概念が, 物理をうまく説明できるように試行錯誤を経て徐々にこの形で定義されるようになったのか, それとも初めから文化的な背景を基にしてこのような形で現われたのか興味があるが, とにかく「仕事」という量はつじつまが合うようにうまく定義された量なのである. では「仕事」の定義が出来たので, 簡単な例を計算してみることにしよう. 質量 の物体を高さ にまで持ち上げる時の仕事を計算してみよう. 計算と言っても簡単である. 物体には重力がかかっており, その大きさは である. 持ち上げる時にはその重力に逆らって上向きの力を加えなくてはならない. の力で距離 だけ持ち上げたのだからそれをかけてやれば, 仕事の量は, となる. 力学的エネルギー保存則とは？？【保存力・公式・仕事との関係もわかりやすく解説】│凡人高校生が勉強を頑張ったら京大に受かった. これが高校で習うところの位置エネルギーである. 次に, 速度 で運動する質量 の物体を止めるのに必要な仕事の量を計算してみよう. 計算が簡単になるように, 一定の力 をかけて止めることにする. 質量が の物体に力 をかけたら, そのときの加速度は である. すると, という関係から分かるように, 物体は 秒後に停止することになるであろう. 秒後には物体は だけ進んでいるから, 距離 と力 をかければ, 仕事の量が求められる. これが高校で学ぶ, 運動エネルギーの式である. 動いている物体は止まるまでに の仕事を他の物体にすることが出来るし, 高いところにある物体は, 落ちながら他の物体に対して の仕事をすることが出来る. ここまで来るとエネルギーの説明もしやすい.
黒豆:なるほどねぇ。つまり、段ボールを同じ位置で持っているだけだと力学的エネルギーは消費されていないけど、実は体内で化学エネルギーが消費されていたから疲れた、ってわけね。 でもさ、一つ疑問なんだけど。さっきの話って、あくまでも 「筋肉が収縮するときの話」 今回の話はずっと同じ位置で段ボールを持っていた場合の話だから、 「筋肉の収縮が維持された場合の話」 だと思うんだけど。 筋肉が収縮するときにはATPが加水分解されて化学エネルギーが消費されるってのは分かったよ。でも、ずっと同じ位置で段ボールを持ち続けるだけなら、一旦収縮した後は筋肉は動く必要がないんだからATPは消費されないはずじゃない? てことは、長時間持ち続けても疲れが増える訳じゃないんじゃないの?? のた:おお~、いいところに気付いたね。確かにここまでの説明だと、 「筋収縮を維持するだけの場合になぜ疲れが増すのか」 という疑問には答えられていないよね。では、もう少し考えてみよう。 単収縮と強縮 のた:実は 筋収縮には「単収縮」と「強縮」という2つのパターンがある。 定義は以下の通りだ。 「単収縮」の定義 単一の刺激 によって引き起こされる筋収縮。潜伏期、収縮期、弛緩期の3段階に分けることができる。 「強縮」の定義 連続した刺激 によって引き起こされる筋収縮。弛緩期が短くなり、収縮を持続する。 図で表すとこんな感じだね。 単収縮が連続して起こった場合が強縮だ。強縮が起こると筋収縮が維持される。 実は先の項で話したのは「単収縮」の話。 単収縮が1回起こるごとにATPがいくらか消費されるっ てことだね。 強縮では単収縮が連続して起こっているんだから、強縮が起こる時間が続くだけATPが消費され続ける、つまりそれだけ疲れる、 ってことになる。 だから、筋収縮を維持すればするだけ化学エネルギーが消費されて疲れるんだね。 黒豆:なあるほどぉ~。納得!! 力学的エネルギーとは. まとめ 黒豆:エネルギーについて考えるときには、力学的エネルギーだけじゃなくて他の形態のエネルギーについても考える必要があるんだね。 のた:そうだね。高校物理だと力学分野では力学的エネルギーしか扱わないから今回のような疑問が出てきても仕方ないんだけど、物理や化学、生物の全分野を俯瞰すると答えが見えてくることもあるってことだね。 黒豆:そうか~。結局、分野を横断した知識が必要ってことだね。これからも勉強がんばります!師匠!
2021 力学的エネルギーとは何か、そしてそれをどのように分類できるかを説明します。また、例とポテンシャルおよび運動機械エネルギー。力学的エネルギー は、運動エネルギーと物体またはシステムの位置エネルギーの合計です。。運動エネルギーは、速度と質量に依存するため、物体が運動しているエネルギーです。一方、位置エネルギーは、弾性力や重力など、保守的な力と呼ばれる力の仕事に関連しています。これらの力は、物体の質量と コンテンツ 力学的エネルギーとは何ですか? 力学的エネルギーの種類 力学的エネルギーの例 運動エネルギーおよび潜在的な力学的エネルギー 力学的エネルギーとは何か、そしてそれをどのように分類できるかを説明します。また、例とポテンシャルおよび運動機械エネルギー。 力学的エネルギーとは何ですか?
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