物理学解体新書

力学的エネルギー

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ポテンシャルエネルギー

ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーを合わせて力学的エネルギーという。
ここではポテンシャルエネルギーを、次ページで運動エネルギーを解説する。


物体は、高い位置から低い位置へ移動することにより仕事をする。


例えば、質量mの物体を手のひらに載せる。
この物体が手に加える力はmgだ。
手をゆっくり距離hだけ下げれば、物体は手に対してmghの仕事をしたことになる。


この例の場合、手を下げる前の物体は、仕事はまだしていないが、これからmghの仕事をする可能性を持っていると言える。
このように、ある高さにある物体は、その位置にいるというだけで、潜在的にエネルギーを持つことになる。
このエネルギーをポテンシャルエネルギー(位置エネルギー)という。


ポテンシャルエネルギーの大きさは、「高い位置」と「低い位置」の2点間の「高さの差」だけで決まる。
重力は保存力なので、物体の移動による仕事は途中の経路に無関係だからだ。


高い位置や、低い位置は重力の作用によって生じる概念だ。
無重力空間の宇宙では、「高い」「低い」の区別はない。
重力の作用しない場所では、2点間にポテンシャルエネルギーは成立しないのである。


電場中の荷電粒子も電場から作用を受けるため、潜在的にエネルギーを持つことになる。
これを電位といい、電場中におけるポテンシャルエネルギーである。
クーロン力の及ばない場所では、電位は成立しないのである。


重力やクーロン力に限らず、保存力の作用する場所でポテンシャルエネルギーは成立する。
逆に非保存力による作用ではポテンシャルエネルギーはあり得ない。
摩擦抵抗によるポテンシャルエネルギーなど、定義できない。


ポテンシャルエネルギーは作用する保存力によって、式が異なる。

保存力ポテンシャルエネルギーの式
引力(重力)ポテンシャルエネルギー
地上近辺の近似式は

ポテンシャルエネルギー
クーロン力ポテンシャルエネルギー
磁気力ポテンシャルエネルギー
バネ弾性力ポテンシャルエネルギー

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2005/08/11



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