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【単振動・万有引力】単振動の力学的エネルギー保存を表す式で,mgh をつけない場合があるのはどうしてですか? 鉛直ばね振り子の単振動における力学的エネルギー保存の式を立てる際に,解説によって,「重力による位置エネルギー mgh 」をつける場合とつけない場合があります。どうしてですか? 単振動・万有引力|単振動の力学的エネルギー保存を表す式で，mgh をつけない場合があるのはどうしてですか？|物理|定期テスト対策サイト. また,どのようなときにmgh をつけないのですか? 進研ゼミからの回答 こんにちは。頑張って勉強に取り組んでいますね。 いただいた質問について,さっそく回答させていただきます。 【質問内容】 ≪単振動の力学的エネルギー保存を表す式で,mgh をつけない場合があるのはどうしてですか?≫ 鉛直ばね振り子の単振動における力学的エネルギー保存の式を立てる際に,解説によって,「重力による位置エネルギー mgh 」をつける場合とつけない場合があります。どうしてですか? また,どのようなときに mgh をつけないのですか?
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
下図のように、摩擦の無い水平面上を運動している物体AとBが、一直線上で互いに衝突する状況を考えます。 物体A・・・質量\(m\)、速度\(v_A\) 物体B・・・質量\(M\)、速度\(v_B\) (\(v_A\)>\(v_B\)) 衝突後、物体AとBは一体となって進みました。 この場合、衝突後の速度はどうなるでしょうか? -------------------------- 教科書などでは、こうした問題の解法に運動量保存則が使われています。 <運動量保存則> 物体系が内力を及ぼしあうだけで外力を受けていないとき,全体の運動量の和は一定に保たれる。 ではまず、運動量保存則を使って実際に解いてみます。 衝突後の速度を\(V\)とすると、運動量保存則より、 \(mv_A\)+\(Mv_B\)=\((m+M)V\)・・・(1) ∴ \(V\)= \(\large\frac{mv_A+Mv_B}{m+M}\) (1)式の左辺は衝突前のそれぞれの運動量、右辺は衝突後の運動量です。 (衝突後、物体AとBは一体となったので、衝突後の質量の総和は\(m\)+\(M\)です。) ではこのような問題を、力学的エネルギー保存則を使って解くことはできるでしょうか?
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. 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.
ばねの自然長を基準として, 鉛直上向きを正方向にとした, 自然長からの変位 \( x \) を用いたエネルギー保存則は, 弾性力による位置エネルギーと重力による位置エネルギーを用いて, \[\frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k x^{2} + mgx = \mathrm{const. } \quad, \label{EconVS1}\] ばねの振動中心(つりあいの位置)を基準として, 振動中心からの変位 \( x \) を用いたエネルギー保存則は単振動の位置エネルギーを用いて, \[\frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k x^{2} = \mathrm{const. } \label{EconVS2}\] とあらわされるのであった. 式\eqref{EconVS1}と式\eqref{EconVS2}のどちらでも問題は解くことができるが, これらの関係だけを最後に補足しておこう. 導出過程を理解している人にとっては式\eqref{EconVS1}と式\eqref{EconVS2}の違いは, 座標の平行移動によって生じることは予想できるであろう [1]. 式\eqref{EconVS1}の第二項と第三項を \( x \) について平方完成を行うと, & \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k x^{2} + mgx \\ & = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left( x^{2} + \frac{2mgx}{k} \right) \\ & = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left\{ \left( x + \frac{mg}{k} \right)^{2} – \frac{m^{2}g^{2}}{k^{2}}\right\} \\ & = \frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left( x + \frac{mg}{k} \right)^{2} – \frac{m^{2}g^{2}}{2k} ここで, \( m \), \( g \), \( k \) が一定であることを用いれば, \[\frac{1}{2} m v^{2} + \frac{1}{2} k \left( x + \frac{mg}{k} \right)^{2} = \mathrm{const. }