仕事とエネルギー インディックス
労力の尺度になる物理量を「仕事」という。
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。
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力Ｆが斜めに作用した場合は、力Ｆのs方向の成分のみを考えて仕事を計算する。
具体的な定義はＷ=F・s cosθとなる。
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「仕事をする」と言っても、これには次の２系統ある。
・力が仕事する
・力に抗して仕事をする
力に抗しての仕事は等大逆向きの力で移動しての仕事になる。
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どのように工夫しても仕事の大きさは変らない。
これを仕事の原理という。
仕事の総量は変化しないから、仕事を使ってそれ以上に大きな仕事を作りだすことができない。
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「仕事」という視点で見ると、これら力は大きく２のグループに分類することができる。
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| 力の分類 | 意味 | 例 |
| 保存力 | 始点と終点だけで、仕事が決まる。 経路に依存しない。 遠回りしても仕事は変わらない。 | 重力 バネの弾性力 クーロン力 磁気力 |
| 非保存力 | 始点と終点だけでなくその間の経路によっても仕事の量が変わる。 遠回りすれば仕事は増える | 摩擦力 流体の抵抗力 |
2[N]の力で5[m]移動した場合の仕事は10[J]だ。
同じ10[J]でも、テキパキ1秒で移動させる場合と、ダラダラ10秒かかる場合では、能率が違う。
仕事の能率を仕事率といい、単位時間あたりの仕事で表現する。
仕事を時間で割るのであるから単位は[J/s]だが、特別に[W]をあてている。
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仕事をする可能性にある状態を、エネルギーを持つという。
エネルギーの大きさは為しうる仕事の大きさで表現する。
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落下物が地面に衝突し、地表にめり込んだとする。
落下物は力を与えながら、土をどかした(移動した)のだから、仕事をしたことになる。
仕事をする可能性をエネルギーという。だから落下中の物体は、エネルギーを持っていたことになる。
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高さhにある質量mの物体はmghの「仕事をする可能性」を持つ。
これを位置エネルギーという。
質量mの物体がグラグラと今にも落ちそうな状態であるか、また絶対に落ちないように安全に固定されているかは関係ない。
グラグラしてようが安全であろうが、その高さがｈであれば位置エネルギーはmghなのだ。
つまり、高い位置にあるというだけで、エネルギーを持っているというわけだ。
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ある速度で移動する物体Aが、静止している物体Bと衝突する。
衝突の勢いでＢが移動する。
ということは物体Aが物体Ｂに仕事をしたということになる。
衝突直前の物体Aは、仕事をする可能性を持っており、衝突によって、仕事をしたのだ。
つまり、物体Aはエネルギーを持っていたことになる。
このように運動する物体が持つエネルギーを運動エネルギーという。
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エネルギーは様々な形態がありうる。
仕事をする可能性は様々なパターンがあるということだ。
位置エネルギー、運動エネルギーのほかに、静止エネルギー、電気エネルギー、化学エネルギー等がある。
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保存力の場の中にあって、位置だけで決まるエネルギーをポテンシャルエネルギーという。
単にポテンシャルという場合もある。
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保存力のみを受けて運動する物体の運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの和は常に一定である。
これを、力学的エネルギー保存の法則という。
力学的エネルギーとは、運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの総称である。
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保存力の作用を受ける物体は、その位置に応じたエネルギーを持つ。
このエネルギーをポテンシャルエネルギーという。
保存力ごとに、さまざまなポテンシャルがある。
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物体が外部から仕事をされると、同じだけ物体の持つエネルギーが増加する。
「もらった仕事」は「増えたエネルギー」に等しいのだ。
これをエネルギーの原理という。
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静止エネルギー 、力学的エネルギー、電気エネルギー等様々なエネルギーがある。
これらのエネルギーは、相互に変換することができる。
そして、エネルギーの形態が変っても、その総量は変化しない。
これをエネルギー保存の法則という。
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2007/12/22
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