位置エネルギーと運動エネルギーは、エネルギーの 2 つの主要なタイプです。定義、単位、例、式、計算方法など、位置エネルギーについて学びます。
位置エネルギーの定義
位置エネルギーは蓄えられたエネルギーです。エネルギーは、物体の相対位置、電荷、内部応力、またはその他の要因から発生します。ポテンシャル エネルギーにはさまざまな形があるため、さらに弾性ポテンシャル エネルギー、化学ポテンシャル エネルギー、核ポテンシャル エネルギー、電気ポテンシャル エネルギー、重力ポテンシャル エネルギー、または磁気ポテンシャル エネルギーに分類されます。数式では、ポテンシャル エネルギーは PE、U、または V です。ポテンシャル エネルギーは観測者の参照フレームに依存するため、不変ではありません。
位置エネルギーは、最大点と最小点の間の経路には依存しません。たとえば、曲がりくねった道を山の頂上までハイキングしたり、まっすぐ上に引っ張られたりした場合でも、同じ位置エネルギーを達成できます。
位置エネルギー単位
位置エネルギーの SI 単位はジュール (J) です。 1 ジュールは 1 kg･m･s です。運動エネルギーの英国単位はフィート ポンド (ft⋅lb) です。ポテンシャル エネルギーはスカラー量です。つまり、大きさと単位はありますが、方向はありません。
位置エネルギーの例
日常の世界には位置エネルギーの例がたくさんあります。ポテンシャル エネルギーはオブジェクトの相対的な位置に依存するため、「ボールにはポテンシャル エネルギーがある」とは言えません。力が作用する場合、位置エネルギーがあります。したがって、ボールを持ち上げると、重力によってボールにエネルギーが与えられます。ボールが電子の場合、陽子と他の電子の引力と反発力により、別の電荷から離れたときにポテンシャル エネルギーを持ちます。
- 本、おもり、リンゴなどの隆起した物体
- 飛び込み台の上にいる人
- 丘の上にある物体
- 伸ばしたバネまたは輪ゴム
- 引いた弓
- 滝のてっぺんの水
- ダムの後ろの水
- 充電済みのバッテリー
- 爆発物
- 壊れる前の化学結合
- 薪、ガソリン、その他の燃料
- 消化する前の食べ物
- 活性化する前のケミカルホットパックまたはコールドパック
- 電源を入れる前にプラグインされたアプライアンス
- 互いに離して保持された 2 つの磁石
- 崩壊または核分裂する前の不安定な原子
ポテンシャルエネルギー式
複数のポテンシャルエネルギー公式があります。どちらを使用するかは、問題のポテンシャル エネルギーの種類によって異なります。
- U =mgh (重力)、m は質量、g は重力による加速度、h は高さ
- U =1/2 kx (弾性、フックの法則)、ここで、k はバネ定数、x はバネが伸びる距離です
- U =1/2 CV (電気)、ここで、C は静電容量、V は電位
- U =-mB (磁気)、m は磁気モーメント、B は磁場
ポテンシャルエネルギーの計算方法
最も一般的なポテンシャル エネルギーの計算は、重力ポテンシャル エネルギーです。たとえば、地上 3.2 メートルの階段の最上部にいる 68 kg の人の位置エネルギーを計算します。重力による加速度が 9.8 m/s であると仮定します (月や火星では異なることに注意してください)。
U =mgh
U =(68 kg)(9.8 m/s)(3.2 m)
U =2132.48 kg·m·s =約 2132 J
ポテンシャル vs 運動エネルギー
ポテンシャルと運動エネルギーの和は定数ですが、それぞれの形は別の形に変換されます。たとえば、頭の上にボールを持っている場合、地面に対する位置エネルギーがあります。ボールを落とすと、位置エネルギーは減少しますが、運動エネルギーは増加します。ボールが地面に衝突したときの運動エネルギーは最大ですが、位置エネルギーはゼロです。同様に、棚に置かれたバッテリーには位置エネルギーがあります。電力を消費する物体に接続すると、位置エネルギーの一部が運動電気エネルギーに変換されます。
参考文献
- ファインマン、リチャード P. (2011). 「仕事と位置エネルギー」。物理学に関するファインマン講義、Vol。 I. ベーシックブック。 ISBN 978-0-465-02493-3.
- Goel, V. K. (2007). 物理学の基礎 .タタ・マグロウヒル教育. ISBN 978-0-07-062060-5.
- サーウェイ、レイモンド A.; Jewett、ジョン W. (2004)。 科学者とエンジニアのための物理学 （第6版）。ブルックス/コール。 ISBN 0-534-40842-7.
- ティプラー、ポール。ルウェリン、ラルフ（2002）。 現代物理学 （第4版）。 W・H・フリーマン。 ISBN 0-7167-4345-0.
