運動エネルギー・位置エネルギーの計算
質量・高さ・速さを入れると、運動エネルギーと位置エネルギー、その合計(力学的エネルギー)を計算します。エネルギー保存の法則から、高さ0まで落ちたときの速さも出します。
くわしい条件を変える(なくても計算できます)
計算方法
運動エネルギー KE = 1/2 × m × v² 位置エネルギー PE = m × g × h(力学的エネルギー = KE + PE)
例:質量2kg、高さ5m、速さ3m/sなら、KE = 1/2 × 2 × 9 = 9J、PE = 2 × 9.80665 × 5 ≒ 98.07J、合計は約107.07Jです。
空気の抵抗や摩擦がないとき、力学的エネルギーは変わりません(力学的エネルギー保存の法則)。この考え方を使うと、高さ0(地面)まで落ちたときの速さを、v = √(v₀² + 2gh)(v₀ ははじめの速さ)で求められます。
式の意味を説明します。運動エネルギーは速さの2乗に比例するため、速さが2倍になると4倍になります。位置エネルギーは高さに比例し、高い所にあるほど大きくなります。この2つを足したものが力学的エネルギーです。摩擦や空気の抵抗がなければ合計は変わらないため、落ちるときは位置エネルギーが運動エネルギーに移ります。
例:質量2kg、高さ5m、速さ3m/sなら、運動エネルギーは9J、位置エネルギーは98.0665Jで、合計107.0665Jです。高さ0まで落ちると速さは10.3473m/sになります。
気をつけること。摩擦や空気の抵抗を考えていないため、実際の速さはこれより小さくなります。位置エネルギーは基準の高さを0としたときの値です。回転している物では、回転のエネルギーが別に加わります。
よくある質問
運動エネルギーの求め方は?
KE = 1/2 × 質量 × 速さ² です。質量2kg、速さ3m/sなら、1/2 × 2 × 9 = 9Jです。
位置エネルギーの求め方は?
PE = 質量 × 重力加速度 × 高さです。質量2kg、高さ5mなら、2 × 9.80665 × 5 ≒ 約98.07Jです。
力学的エネルギー保存の法則とは?
摩擦や空気の抵抗がないとき、運動エネルギーと位置エネルギーの合計(力学的エネルギー)はいつも一定という法則です。
エネルギーの単位は?
J(ジュール)です。1J は、1Nの力で物を1m動かす仕事にあたります。
高さ0での速さはどう出す?
エネルギー保存から、v = √(最初の速さ² + 2 × g × 高さ) で求めます。