物理の森　「力学的エネルギー」

◆力学的エネルギー　
運動エネルギー　
位置エネルギー　

Ｔ：エネルギーって「ファイト～～！」「いっぱ～～つ！」っていう、アレか？

Ｍ：あれも、エネルギーの一種だけどね。ところで、前回、エネルギーっていうのは「これから物体が移動する可能性」だって話したよね？

Ｔ：「可能性」だから「未来形」っていうイメージだと。

Ｍ：そうそう。例えば、地上11メートルの地点に僕が立っていて、その手に0.2キロのリンゴを持っているとする。

Ｔ：ほ～。

Ｍ：で、その手を離すと、どうなるだろう？

Ｔ：下にいる人が危険になるだろう。

Ｍ：まぁ、そうだね。よい子はまねしちゃダメだよ。ところでリンゴは地上1メートルの地点でどうなるだろう。

Ｔ：落ちている最中やんか？

Ｍ：そうそう、どのくらいのスピードで？

Ｔ：ごっつい速いで。

Ｍ：じゃぁ、そのスピードはどこから来たんだろう？

Ｔ：ん？　そりゃ高い所から落としたからやろ？

Ｍ：そうそう。そこそこ。

Ｔ：どこどこ？

Ｍ：実は、高い所にある物体は、「高い所にある」というだけで、あるエネルギーを持っているんだ。それを「（重力による）位置エネルギー」って呼ぶんだ。

Ｔ：その「（重力による）位置エネルギーＵ」が「質量ｍ[kg] × 重力加速度g[m/ss] × 高さh[m]」 なんやね？

Ｍ：そう。そしてその「位置エネルギー」は「これから物体が移動する可能性」をもっていて、実際に、相当なスピードとなって落下していくことになる。

Ｔ：つまり、リンゴが落ちるスピードは「位置エネルギー」から来ているというわけだ。

Ｍ：ところで、動いている物体にも「スピードがある」というだけで、あるエネルギーを持っているんだ。それを「運動エネルギー」って呼ぶんだ。

Ｔ：その「運動エネルギーＫ」が「1/2 × 質量ｍ[kg] × 速度ⅴ[m/s]の2乗」 なんやね？

Ｍ：そうそう。

Ｔ：ということは、「（重力による）位置エネルギー」が「運動エネルギー」に変わったんかな？

Ｍ：高い位置にある物体は「（重力による）位置エネルギー」を持っていて、手を離すと高さが減る代わりにスピードが出て、「運動エネルギー」に変換されていくというわけだ。

Ｔ：計算できるね？

Ｍ：うん。ポイントは位置エネルギーの基準をどこにとるかだね。実は、位置エネルギーの基準はどこでもいいんだ。好きな所に決めて考えればいい。

Ｔ：地面0メートルの高さじゃないの？

Ｍ：うん、もちろん地面0メートルの高さでもいいんだけど、それだと、計算が面倒になるんだ。今回は地上1メートルを基準にとれば、地上1メートルは高さ0メートルになるから位置エネルギーは 質量0.2[kg]×重力加速度9.8[m/ss]×高さ0[m] で、合計0[J] になるね。

Ｔ：すると、地上11メートルは基準からの高さが10メートルになるから位置エネルギーは、質量0.2[kg]×重力加速度9.8[m/ss]×高さ10[m] で、合計19.6[J] ということか。

Ｍ：それで、その19.6[J]の位置エネルギーが、地上1メートルの位置では、運動エネルギー 1/2×0.2[kg]×速度ⅴの2乗 になるんだ。すなわち　0.1×ⅴの2乗 = 19.6　なので、速さⅴ＝14[m/s] になるね。

Ｔ：逆に「運動エネルギー」が「（重力による）位置エネルギー」に変わることもありそうやね。

Ｍ：秒速7メートル毎秒で0.02[kg]のパチンコ玉を斜面上向きに転がすとどこまで登るか？

Ｔ：その時の運動エネルギーは 1/2×0.02[kg]×7の2乗 になるんだ。すなわち　0.49[J] やろ？　これが高さＨまで登る。

Ｍ：登った最高点では速度は 0メートル毎秒 だから運動エネルギーは 0[J] だよ。

Ｔ：それやったら運動エネルギー 0.49[J] が、位置エネルギー 0.02×重力加速度9.8[m/ss]×高さＨ[m] ＝ 0.196Ｈ[J]　になるんやろ？　計算して・・・2.5[m]か。

Ｍ：ご名答！

Ｔ：ところで、「（重力による）位置エネルギー」は必ず「運動エネルギー」になるんかな？　あるいは、「運動エネルギー」は必ず「（重力による）位置エネルギー」になるんかな？

Ｍ：うん、「（重力による）位置エネルギー」と「運動エネルギー」の和は「力学的エネルギー」と言って、基本的には保存されるんだ。「力学的エネルギー」はどこでも一定なんだ、基本的には。

Ｔ：基本的・・・って、ひっかかるな。

Ｍ：じゃ、それは次回。

Ｔ：さよか。ほなさいなら。

Ｍ：ばいばい。