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仕事と力学的エネルギーmd 7fa3418
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仕事しごと力学的りきがくてきエネルギー

date2026-07-14document_iddoc_778a59a502aa6f386f4e3cbc50597a91description運動方程式を変位に沿って積分し、仕事と運動エネルギーの定理、保存力、位置エネルギー、力学的エネルギー保存則を証明する講義である。prerequisites運動方程式 / ベクトルの内積 / 微分と積分の基本 / 単位・次元type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/force-balance-and-laws-of-motion.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/inclines-friction-and-springs.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/momentum-and-impulse.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/deriving-conservation-laws.lecture.n.md
physicsmechanicsworkenergylecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、時間じかんわりに、ちから移動いどう沿ってする仕事しごとから運動うんどう記述きじゅつする方法ほうほう説明せつめいする。運動方程式うんどうほうていしき

F=ma

瞬間しゅんかん加速度かそくどめる。一方いっぽう仕事しごととエネルギーは、始点してん終点しゅうてんはやさやたかさを直接ちょくせつつなぐ。

したがって、途中とちゅう時刻じこくではなく、前後ぜんご状態じょうたいくらべたい問題もんだいではエネルギーが自然しぜん道具どうぐになる。

2用語ようご定義ていぎ

仕事しごとworkとは、ちから微小変位びしょうへんい内積ないせき経路けいろ沿ってわせたりょうである。

W=CF·dr

一定いっていちから直線ちょくせん沿って作用さようする場合ばあい

W=Fdcosθ

である。

運動うんどうエネルギーkinetic energy

K=12mv2

定義ていぎする。

保存力ほぞんりょくconservative forceとは、仕事しごと経路けいろ依存いぞんせず、始点してん終点しゅうてんだけでまるちからである。

位置いちエネルギーpotential energy U は、保存力ほぞんりょくたいして

U(B)-U(A)=-ABFcons·dr

定義ていぎする。

3方針ほうしん

仕事しごととエネルギーを使つか理由りゆうは、運動方程式うんどうほうていしき変位へんい積分せきぶんすると、速度そくど二乗にじょう自然しぜんあらわれるからである。ちから時間変化じかんへんかくわしくうのではなく、ちから移動方向いどうほうこう沿ってした累積効果るいせきこうかむ。

手順てじゅんつぎである。

  1. 始点してん終点しゅうてんめる。
  2. 保存力ほぞんりょくとして Uれるちからめる。
  3. 摩擦まさつ外力がいりょくなどの非保存力ひほぞんりょく仕事しごとべつかぞえる。
  4. Δ(K+U)=Wnc使つかう。

4関係式かんけいしき 1:仕事しごと運動うんどうエネルギー

慣性系かんせいけい質量しつりょう m一定いってい物体ぶったいについて、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔK=Wnet

成立せいりつする。ここで Wnet合力ごうりょく仕事しごとである。

4.1証明しょうめい

運動方程式うんどうほうていしき

mdvdt=Fnet

である。両辺りょうへんdr=vdt内積ないせきする。

mdvdt·vdt=Fnet·dr

左辺さへん

mv·dv=d(12m|v|2)

である。したがって

dK=Fnet·dr

である。経路けいろ沿って積分せきぶんすると

KB-KA=ABFnet·dr

となる。右辺うへん合力ごうりょく仕事しごとなので、ΔK=Wnetしたがう。

5関係式かんけいしき 2:力学的りきがくてきエネルギーの収支しゅうし

保存力ほぞんりょく仕事しごと位置いちエネルギー Uれ、非保存力ひほぞんりょく仕事しごとWnc とすると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δ(K+U)=Wnc

成立せいりつする。とくWnc=0 なら

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]K+U=const

である。

5.1証明しょうめい

合力ごうりょく仕事しごとを、保存力ほぞんりょく仕事しごと Wcons非保存力ひほぞんりょく仕事しごと Wncける。

ΔK=Wcons+Wnc

位置いちエネルギーの定義ていぎより

Wcons=-ΔU

である。よって

ΔK=-ΔU+Wnc

となる。両辺りょうへん整理せいりすれば

Δ(K+U)=Wnc

る。

6関係式かんけいしき 3:地表付近ちひょうふきん重力じゅうりょく位置いちエネルギー

鉛直上向えんちょくうわむきにたかyり、重力加速度じゅうりょくかそくど一定いってい g とみなせる範囲はんいでは、地面じめん y=0Ug=0えらぶと

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Ug=mgy

である。

6.1証明しょうめい

重力じゅうりょく鉛直下向えんちょくしたむきなので、

Fg=-mgey

である。位置いちエネルギーの定義ていぎ

dUg=-Fg·dr

である。dr=dyey とすると、

dUg=-(-mgey)·(dyey)=mgdy

である。y=0Ug=0えらべば、

Ug(y)=0ymgdy=mgy

る。

7関係式かんけいしき 4:ばねの位置いちエネルギー

フックの法則ほうそく F=-kxしたがうばねの位置いちエネルギーは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Us=12kx2

である。

7.1証明しょうめい

ばねのちからFs=-kx である。位置いちエネルギーは

dU=-Fsdx

定義ていぎされる。したがって

dU=kxdx

である。自然長しぜんちょう x=0U=0えらぶと、

U(x)=0xkxdx=12kx2

る。

8単位たんい確認かくにん

仕事しごと

F[N;MLT-2]×d[m;L]W[J;ML2T-2]

である。運動うんどうエネルギーも

m[kg;M]×v2[m2/s2;L2T-2]K[J;ML2T-2]

である。したがって、エネルギーしきでは KUW各項かくこうがすべて [J] でそろう。

9具体例ぐたいれい 1:自由落下じゆうらっか

たかh から初速度しょそくど 0 で落下らっかする物体ぶったいかんがえる。空気抵抗くうきていこう無視むしし、地面じめんU=0 とする。

Ki+Ui=Kf+Uf

より

0+mgh=12mv2+0

である。したがって

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=2gh

る。

10具体例ぐたいれい 2:摩擦まさつまる距離きょり

水平面すいへいめんはやv0物体ぶったい動摩擦力どうまさつりょくだけでまる。動摩擦係数どうまさつけいすうμk とする。動摩擦力どうまさつりょくfk=μkmg で、仕事しごと

Wfric=-μkmgd

である。仕事しごと運動うんどうエネルギーの定理ていりから

0-12mv02=-μkmgd

したがって

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]d=v022μkg

である。

11見分みわかた

  • 瞬間しゅんかん加速度かそくどちからうなら、運動方程式うんどうほうていしき使つかう。
  • 始点してん終点しゅうてんはやさ、たかさ、ばねのびをうなら、エネルギーを使つかう。
  • 摩擦まさつがあるなら、K+U=const ではなく Δ(K+U)=Wnc使つかう。
  • 保存力ほぞんりょく仕事しごとUれたら、おな仕事しごと右辺うへんにもう一度いちどれない。

12どこまで成立せいりつするか

ΔK=Wnet慣性系かんせいけいでの Newton 力学りきがくからみちびかれる。位置いちエネルギーを導入どうにゅうできるのは保存力ほぞんりょくたいしてである。空気抵抗くうきていこう摩擦まさつのように経路けいろ依存いぞんするちからは、仕事しごととしてべつあつかう。

13最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]W=CF·dr
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ΔK=Wnet
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Δ(K+U)=Wnc

14一言ひとことでいうと

仕事しごととエネルギーは、運動方程式うんどうほうていしき変位へんい沿って積分せきぶんし、ちから累積効果るいせきこうかはやさやたかさの変化へんか変換へんかんする方法ほうほうである。

15関連かんれんリンク

data/lecture/physics/mechanics/inclines-friction-and-springs.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/momentum-and-impulse.lecture.n.md data/lecture/physics/mechanics/deriving-conservation-laws.lecture.n.md
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