仕事とエネルギー：物理学解体新書

仕事

ここに二種類A、Bの作業がある。
人間がA、Bの作業をする場合、どちらの作業がより労力が必要なのであろうか？

Aの作業	Bの作業
滑車を使用して10[kg]の荷物を2[m]持ち上げる作業	10[kg]の荷物を、20[N]の力で水平に5[m]ズルズル押す作業

作業に対する労力の感覚は、その人の心理状態や体調、作業に対して持つイメージ、熟練の度合いによって変ってくる。
必要な労力を見出すには、人間の感覚には影響されない物理的な量が必要になる。

労力の尺度になる物理的な量、それが「仕事」という量だ。
仕事はWで表現する。
SI単位の場合、仕事の単位はJ(ジュール)だ。

「仕事W」は「要した力F」×「移動した距離s」で定義する。 A、Bの作業での実際の仕事を計算してみよう。

この結果を見ると
Aの作業は約200[J]
Bの作業は100[J]
となり、AのほうがBより2倍大変な作業であることが分かる。

「仕事」を使うと労力が、物理的に表現できるから公平に判断できる。
Aの作業をする人は、Bの作業をする人より約2倍大変な作業をしていることが客観的に表現できるからだ。

もう一度、仕事の定義を見てみよう。
「仕事W」は「要した力F」と「移動した距離s」での積であった。
物体を移動させる手段が人手であっても、機械であっても、この定義には無関係であることに注意しよう。

だから、滑車のロープをモーターやエンジンで引いてAの作業をしても、仕事はW=196[J]で変らない。
人間であっても、機械であっても「作業の大変さ」は、仕事の値で比較することができるのだ。

モーターやエンジンは仕事をするとき、電気や燃料を消費する。
当然、電気や燃料がなければ仕事ができない。
つまり、電気や燃料には、「仕事をする可能性」が内包されているのだ。

「仕事をする可能性」をエネルギーと呼ぶ。
電気や燃料をエネルギーと表現するが、それは上記の理由による。
上記のAの場合、200[J]分の仕事をするには、200[J]分のエネルギーが必要になるのだ。

他方、電気や燃料は、電灯を光らせたり、ヒーターを発熱させたりも可能である。
つまり、発光や発熱にもエネルギーが必要なのだ。
仕事は「要した力F」×「移動した距離s」で定義したが、発光や発熱も実は仕事なのである。

人間も力を出して仕事をする場合、体外からエネルギーを得なくてはならない。
「食事からエネルギーの補給する」とは、このことをいう。

重量物を動かそうとして汗だくで力を入れても、まったく動かなければ、重量物に対して仕事をしたことにはならない。
このとき投入されたエネルギーは、筋肉の発熱など主に体内の仕事に消費されている。

ここで一度ポイントをまとめておこう。
作業に要する労力の指標として「仕事」を用いる。
「仕事」は「要した力」×「移動した距離」で定義する。
人間の作業も、機械の作業も、仕事が共通の尺度である。
移動だけでなく、発光や発熱も仕事である。
エネルギーがなければ、仕事ができない。

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2005/08/27