止まらない振り子で考える力学的エネルギー保存の法則

ジェットコースターの高さと速さの関係

高いところにある物体を落とすと、だんだんと速さが大きくなります。例えば、スカイスリーの頂上からものを落とすと落ちる時には、時速200㎞にもなっています。

高いところにある物体は位置エネルギーを持っています。物体が落ちると位置エネルギーを失いますが、物体の速さが大きくなるので運動エネルギーが大きくなります。

このように、位置エネルギーは運動エネルギーに変換することができます。その逆でボールを上に向かって投げると運動エネルギーを位置エネルギーに変換することができます

位置エネルギーと運動エネルギーは互いに移り変わります

位置エネルギーと運動エネルギーの2つを合わせて力学的エネルギーといいます。

 

ジェットコースターに乗ると電気を使って、少しずつ上がっていき、位置エネルギーをためて、一番上まで行くと位置エネルギーを運動エネルギーに変換することで、あのものすごいスピードで落ちていくことができています。

ジェットコースターの落ちている時は、電気の力ではなく位置エネルギーによって運動エネルギーを取り出しているんですね。

力学的エネルギー保存の法則

位置エネルギーは運動エネルギーに変換されます。斜面を下る台車の持つエネルギーを考えてみましょう。

台車がA→B→Cと斜面を下っていく時、台車のある位置は低くなっていくので、位置エネルギーは小さくなります。しかし、斜面を下るほど台車の速さは大きくなくので、台車が持つ運動エネルギーは大きくなります。

位置エネルギーと運動エネルギーをグラフにして表すと下の図のようになります。

位置エネルギーと運動エネルギーの大きさを足し合わせると和は一定になります。

力学的エネルギー=位置エネルギー+運動エネルギー=一定 ということです。このことを力学的エネルギーの保存といいます。

 

振り子の運動でも考えてみましょう。振り子の場合も運動の仕方は違いますが、力学的エネルギーの保存が成り立ちます。

振り子の場合は一番上に球が来た時に運動エネルギーが0になり、一瞬静止します。この時、位置エネルギーは最大になります。

逆に球が一番下に来た時、運動エネルギーが最大になるので、一番物体の速さが大きくなります。

力学的エネルギーの保存が成り立つ条件

振り子はひもとおもりで簡単に作ることができます。しかし、振り子はいずれ止まってしまいます。

力学的エネルギーの保存が成り立つなら、位置エネルギーと運動エネルギーが移り変わるだけなので永遠に動き続けるはずですが、実際は振り子は止まってしまいます。

地球上にある物体が動くと、空気抵抗や摩擦がはたらくので、力学的エネルギーの一部が熱や光に変わってしまうので、振り子は止まります。

空から降ってくる雨粒は、とても大きい位置エネルギーを持っていますが、当たってもそこまで痛くはありませんね。

このように、地球上で力学的エネルギーが保存されることはほとんどありません。空気抵抗や摩擦がない宇宙空間では、力学的エネルギーの保存が成り立ちます

まとめ

位置エネルギーと運動エネルギーは互いに移り変わる

力学的エネルギー=位置エネルギー+運動エネルギー=一定になることを力学的エネルギーの保存という

力学的エネルギーの保存は空気抵抗や摩擦があると成り立たない

中3物理
スポンサーリンク
プロフィール
ゆうしろ

公立中学校の現役教員です。
専門は生物学で、中学・高校理科の教員免許を持っています。
子供のころ勉強に使っていた学習サイトを自分でも作りたくでトライし始めました!
理科の授業を「何度でもふりかえる」ことが出来るように、知識+思考力がつくサイトにしていきます!

ゆうしろをフォローする
シェアする
理科の授業をふりかえる

コメント