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理論

エネルギー保存

理想系ではエネルギーは形を変えるだけで、全機械エネルギーは一定です。

エネルギー保存は、孤立系ではエネルギーが生み出されたり消えたりせず、形を変えるか移動するだけだという原理です。力学では特に 機械エネルギー(運動エネルギー K とポテンシャルエネルギー U の和)を扱い、損失が無視できるときに保存が成り立ちます。

機械エネルギー

E_mech = K + U

保守力のみが働く(摩擦・抵抗がない)場合、

ΔE_mech = 0

となり、K と U が交換されます。

保守力とポテンシャル

保守力の仕事は端点のみで決まり、

W_conservative = -ΔU

と表せます。よって

ΔK + ΔU = 0

が得られます。

非保守力(摩擦・抵抗)

非保守力があると機械エネルギーは変化し、

ΔE_mech = W_nonconservative

と整理できます。機械エネルギーが減っても、熱・音・永久変形などの内部エネルギーへ移るだけで、全エネルギー保存とは矛盾しません。

パワー(時間当たりの仕事)

P = dW/dt = F · v
dE/dt = P

ポテンシャルの基準

U の絶対値は基準の取り方で変わり、物理的に意味があるのは差 ΔU です。基準を変えても運動方程式は変わりません。

よくある混同

  • エネルギー保存は「運動エネルギーが常に一定」という意味ではありません。
  • 機械エネルギー保存は条件(損失が無視できること)付きです。

関連理論

中級

#damping

減衰振動
抵抗効果でエネルギーが失われ、振幅が時間とともに減少します。
初級

#energy

運動エネルギー
物体の運動が持つエネルギーで、速度の二乗に比例します。
中級

#collision

弾性衝突
弾性衝突では運動量と運動エネルギーが同時に保存されます。
初級

#spring

フックの法則
線形領域では、ばねの復元力は変位に比例します。