力学 的 エネルギー の 保存
斜面を下ったり上ったりを繰り返して走る、ローラーコースター。はじめにコースの中で最も高い位置に引き上げられ、スタートしたあとは動力を使いません。力学的エネルギーはどうなっているのでしょう。位置エネルギーと運動エネルギーの移り変わりに注目して見てみると…。
力学的エネルギーの保存 ばね
ラグランジアンは物理系の全ての情報を担っているので、これを用いて様々な保存則を示すことが出来る。例えば、エネルギー保存則と運動量保存則が例として挙げられる。 エネルギー保存則の導出 [ 編集] エネルギーを で定義する。この表式とハミルトニアン を見比べると、ハミルトニアンは系の全エネルギーに対応することが分かる。運動量の保存則はこのとき、 となり、エネルギーが時間的に保存することが分かる。ここで、4から5行目に移るとき運動方程式 を用いた。実際には、エネルギーの保存則は時間の原点を動かすことに対して物理系が変化しないことによる 。 運動量保存則の導出 [ 編集] 運動量保存則は物理系全体を平行移動することによって、物理系の運動が変化しないことによる。このことを空間的一様性と呼ぶ。このときラグランジアンに含まれる全てのある q について となる変換をほどこしてもラグランジアンは不変でなくてはならない。このとき、 が得られる。このときδ L = 0 となることと見くらべると、 となり、運動量が時間的に保存することが分かる。
力学的エネルギーの保存 振り子
力学的エネルギーと非保存力 力学的エネルギーはいつも保存するのではなく,保存力が仕事をするときだけ保存する,というのがポイントでした。裏を返せば,非保存力が仕事をする場合には保存しないということ。保存しない場合は計算できないのでしょうか?...
力学的エネルギーの保存 実験器
では、衝突される物体の質量を変えるとどうなるのでしょう。木片の上におもりをのせて全体の質量を大きくします。衝突させるのは、同じ質量の鉄球です。スタート地点の高さも同じにして比べます。移動した距離は、質量の大きいほうが短くなりました。このように、運動エネルギーの同じものが衝突しても、質量が大きい物体ほど動きにくいのです。 scene 07 「位置エネルギー」とは?
力学的エネルギーの保存 公式
多体問題から力学系理論へ
図を見ると、重力のみが\(h_1-h_2\)の間で仕事をしているので、エネルギーと仕事の関係の式は、 $$\frac{1}{2}m{v_2}^2-\frac{1}{2}m{v_1}^2=mg(h_1-h_2)$$ となります。移項して、 $$\frac{1}{2}m{v_1}^2+mgh_1=\frac{1}{2}m{v_2}^2+mgh_2$$ (力学的エネルギー保存) となります。 つまり、 保存力(重力)の仕事 では、力学的エネルギーは変化しない ということがわかりました! その②:物体に保存力+非保存力がかかる場合 次は、 重力のほかにも、 非保存力を加えて 、エネルギー変化を見ていきましょう! さっきの状況に加えて、\(h_1-h_2\)の間で非保存力Fが仕事をするので、エネルギーと仕事の関係の式から、 $$\frac{1}{2}m{v_2}^2-\frac{1}{2}m{v_1}^2=mg(h_1-h_2)+F(h_1-h_2)$$ $$(\frac{1}{2}m{v_1}^2+mgh_1)-(\frac{1}{2}m{v_2}^2+mgh_2)=F(h_1-h_2)$$ 上の式をみると、 非保存力の仕事 では、 その分だけ力学的エネルギーが変化 していることがわかります! つまり、 非保存力の仕事が0 であれば、 力学的エネルギーが保存する ということができました! 力学的エネルギーの保存 実験器. 力学的エネルギー保存則が使える時 1. 保存力(重力、静電気力、万有引力、弾性力)のみが仕事をするとき 2. 非保存力が働いているが、それらが仕事をしない(力の方向に移動しない)とき なるほど!だから上のときには、力学的エネルギーが保存するんですね! 理解してくれたかな?それでは問題の解説に行こうか! 塾長 問題の解説:力学的エネルギー保存則 例題 図の曲面ABは水平な中心Oをもつ半径hの円筒の鉛直断面の一部であり、なめらかである。曲面は点Bで床に接している。重力加速度の大きさをgとする。点Aから質量mの小物体を静かに放したところ、物体は曲面を滑り落ちて点Bに達した。この時の速さはいくらか。 考え方 物体にかかる力は一定だが、力の方向は同じではないので、加速度は一定にならず、等加速度運動の式は使えない。2点間の距離が与えられており、保存力のみが仕事をするので、力学的エネルギー保存の法則を使う。 悩んでる人 あれ?非保存力の垂直抗力がありますけど・・ 実は垂直抗力は、常に点Oの方向を向いていて、物体は曲面接線方向に移動するから、力の方向に仕事はしないんだ!