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。