【エネルギー保存の法則とは】位置エネルギー、運動エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギー

エネルギー保存の法則について紹介します。

【エネルギー保存の法則】

エネルギーとは、仕事をする能力のことで、位置エネルギー、運動エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギーなど様々な種類があります。
種類が異なっても、互いに変換することが可能です。

エネルギー変換前後のエネルギーの総和は等しくなることを「エネルギー保存の法則」といいます。
実際はエネルギー変換の過程でエネルギーロスが発生します。

高さh［m］の位置から m［kg］のボールを転がす場合、高さh［m］の位置では、ボールに重力が加わっているため、重力によって仕事をすることができるエネルギーである「位置エネルギーU」が存在します。

(1) $\begin{eqnarray*} U=mgh \end{eqnarray*}$

となります。

次に、高さh［m］から0[m]まで転がり降りたあと、水平面上に向かって速度v[m/s]転がり続けて運動したとします。
このとき運動エネルギーWは以下のようになります。

(2) $\begin{eqnarray*} W=\frac{1}{2}mv^2 \end{eqnarray*}$

これをエネルギー保存の法則で考えると、ボールが高さh［m］にある時点では速度v=0なので、ボールが持っていた位置エネルギーは、0[m]まで転がり降りたときにすべて運動エネルギーに変換されたことになります。

(3) $\begin{eqnarray*} W=U \end{eqnarray*}$

現実にはボールが転がると斜面と床との間で摩擦が発生するため、そこで摩擦熱エネルギー等にも変換されていきます。
そのため、床で転がり続けることはなく徐々に速度vが低下していき最後には0となって静止します。

【例】
手回し発電機・・・人が手でレバーを回したときの運動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電しています。

このとき「エネルギー保存の法則」で考えるとエネルギー量の関係は以下のようになります。

(運動エネルギーの合計) = (電気エネルギーの合計) + (熱エネルギーなどロス分の合計)

※手回し発電機では、実際には発電機内部で運動エネルギーの一部が摩擦熱などにより熱エネルギーにも変換されてしまいます