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仕事とエネルギーの関係

僕が物理学を始めて授業で習ったのは高校2年生のとき。

そのころ僕はもっぱら数学にハマっていて、物理にはほとんど目もくれてなかった。

よくわからない概念と、よくわからない計算方法が意味も分からず与えられ、それらを用いてよくわからない何かを計算で求める。小物体の衝突後の速さなんて、当時の僕には本当にどうでもよかった(笑)

「物理は数学みたいなもん」なんて言っている人がいたけど、「どこが?」と思っていた。

 

その一つが、仕事とエネルギー。教科書には「ある物体を力F[N]で距離x[m]だけ動かすと、力は物体に対してFx[J]だけ仕事をしたという」みたいな感じで書いてあった。

計算にはなんの困る点もなく、いくつか求められるものは求めてみたけど、いまいち釈然としない。今となれば、「エネルギーとは何か」というような哲学的な問いをしてもあまり有益な結果は得られないとわかっているので(笑)、あえて問うこともないのですが、この間ふと思いついたことがあったので、書き記しておこうと思います。

 

それは、「物体どうしは、仕事を媒介としてエネルギーをやりとりする」ということです。言われてみれば当たり前中の当たり前なんですが・・・(笑)。ちょっとだけ書かせてください。

 

エネルギー保存則というのがありますね。ある高さからボールを持った手を放すと、ボールは勢いを増しながら落ちていきます。このときボールの位置エネルギーは徐々に減少するが、運動エネルギーは徐々に増加する。そして、それらの和はつねに一定であると。当たり前といえば当たり前の法則ですね。

このようにエネルギーの総量は、基本的には常に保存するのですが(エネルギー保存則は、何とも不思議なことに真空中では破られることもあるらしい)、個々の物体がもつエネルギー量は変化してゆくこともあります。

 

例えば、ビリヤードで、静止している球Aを狙って球Bを突いたとします。このとき球Bは運動エネルギーを持ち、球Aはまだ運動エネルギーを持っていません。

やがて2体は衝突します。衝突すると、球Aは動き出しますから、球Aは運動エネルギーをいくらか持つことになります。球Aと球Bの全体では、エネルギー保存則が成り立つので、球Aの運動エネルギーが増えた分だけ、球Bの運動エネルギーは減ります。でも全体としてはエネルギー量の総和は保存しています。

 

このとき、球Bが持っていた運動エネルギーの一部が、球Aに移ったと考えられますよね。つまり、球Bは球Aに対して、仕事をすることで、自らのエネルギーの一部を伝えています。

 

先の太字は、言い換えれば「物体に仕事をせずして、その物体のエネルギー量を増加(減少)させることはできない」ということになるでしょうか。

 

あるいは、「物体が有するエネルギーの形態が変化するときには、仕事を

まぁ、言われてみれば運動方程式なみに当たり前のことなのですが(汗)、これを思いついたとき、ほんの少しだけ物理の本質に近づけたかな、なんておこがましいことを考えてしまいました。