運動エネルギーと位置エネルギー

運動エネルギーは、その運動によって身体が持つエネルギーです。 ポテンシャルエネルギーは、体の位置状態によって体が持つエネルギーです。 オブジェクトの運動エネルギーはその環境内の他のオブジェクトの状態に相対的ですが、ポテンシャルエネルギーはその環境から完全に独立しています。 したがって、オブジェクトの加速は、同じ環境の他のオブジェクトも動いている1つのオブジェクトの動きには現れません。 たとえば、立っている人を通り過ぎるときの弾丸は運動エネルギーを持っていますが、弾丸は横に動いている列車に対する運動エネルギーを持ちません。

比較表

運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの比較表
運動エネルギー 位置エネルギー
定義身体またはシステム内の粒子の動きに関する身体またはシステムのエネルギー。位置エネルギーは、その位置または構成のためにオブジェクトまたはシステムに保存されるエネルギーです。
環境との関係物体の運動エネルギーは、その直近の環境にある他の移動物体および静止物体に相対的です。ポテンシャルエネルギーは、オブジェクトの環境に関連しません。
譲渡性運動エネルギーは、たとえば衝突の際に、ある運動物体から別の運動物体に伝達されます。ポテンシャルエネルギーは伝達できません。
滝から落ちるときなど、流れる水。絶壁の前の滝の頂上の水。
SIユニットジュール(J)ジュール(J)
決定要因速度/速度および質量高さまたは距離と質量

運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの相互変換

エネルギー保存の法則では、エネルギーを破壊することはできず、ある形式から別の形式にのみ変換できると規定されています。 単純な振り子の古典的な例を見てみましょう。 振り子が揺れると、吊り下げられた物体はより高く移動し、その位置によりポテンシャルエネルギーが増加し、上部で最大に達します。 振り子が下向きのスイングを開始すると、保存されたポテンシャルエネルギーが運動エネルギーに変換されます。

ばねが一方の側に引き伸ばされると、もう一方の側に力がかかるため、元の状態に戻ることができます。 この力は復元力と呼ばれ、物体やシステムを低エネルギーレベルの位置に移動させる働きをします。 バネを伸ばすのに必要な力は、ポテンシャルエネルギーとして金属に蓄積されます。 バネが解放されると、蓄積された位置エネルギーは復元力によって運動エネルギーに変換されます。

質量が持ち上げられると、地球の重力(およびこの場合の復元力)が作用して、地球を引き戻します。 質量を持ち上げるのに必要なエネルギーは、その位置のために位置エネルギーとして保存されます。 質量が低下すると、保存されたポテンシャルエネルギーは運動エネルギーに変換されます。

語源

「キネティック」という言葉は、ギリシャ語の「運動」を意味するキネシスに由来しています。 今日理解され使用されている「運動エネルギー」および「仕事」という用語は、19世紀に始まりました。 特に、「運動エネルギー」は1850年頃にウィリアムトムソン(ケルビンK)によって作られたと考えられています。

「潜在的エネルギー」という用語は、熱力学を含むさまざまな科学に貢献したスコットランドの物理学者およびエンジニアであるウィリアム・ランキンによって造られました。

運動エネルギーと位置エネルギーの種類

運動エネルギーは、オブジェクトのタイプに応じて、2つのタイプに分類できます。

  • 並進運動エネルギー
  • 回転運動エネルギー

剛体の非回転体には直線運動があります。 したがって、並進運動エネルギーは、直線で移動する物体が持つ運動エネルギーです。 物体の運動エネルギーは、その運動量(質量と速度の積、p = mv、ここでmは質量、vは速度)に関連しています。 運動エネルギーはE = p ^ 2 / 2mの関係により運動量に関連しているため、並進運動エネルギーはE =½mv ^ 2として計算されます。 重心に沿って回転する剛体には、回転運動エネルギーがあります。 回転体の回転運動エネルギーは、さまざまな可動部分の合計運動エネルギーとして計算されます。 安静時の体にも運動エネルギーがあります。 その中の原子と分子は常に動いています。 そのような物体の運動エネルギーは、その温度の尺度です。

ポテンシャルエネルギーは、適用可能な復元力に応じて分類されます。

  • 重力ポテンシャルエネルギー –重力に関連する物体のポテンシャルエネルギー。 たとえば、本をテーブルの上に置くと、本を床から持ち上げるのに必要なエネルギーと、本がテーブルの上の位置にあるために本が持つエネルギーが重力ポテンシャルエネルギーになります。 ここで重力は復元力です。
  • 弾性ポテンシャルエネルギー –弓やカタパルトなどの弾性体が一方向に引き伸ばされ変形したときに、弾性体が持つエネルギーが弾性ポテンシャルエネルギーです。 復元力は、反対方向に作用する弾性です。
  • 化学ポテンシャルエネルギー -構造内の原子と分子の配置に関連するエネルギーは、化学ポテンシャルエネルギーです。 化学反応に参加することにより化学変化を起こさなければならない可能性があるため、物質が持つ化学エネルギーは、物質の化学ポテンシャルエネルギーです。 たとえば、燃料を使用すると、燃料に蓄積された化学エネルギーが熱に変換されます。
  • 電気ポテンシャルエネルギー –電荷によって物体が持つエネルギーは電気ポテンシャルエネルギーです。 静電ポテンシャルエネルギーと電気力学的ポテンシャルエネルギーまたは磁気ポテンシャルエネルギーの2種類があります。
  • 核ポテンシャルエネルギー –原子核内の粒子(中性子、陽子)が持つポテンシャルエネルギーは、核ポテンシャルエネルギーです。 例えば、太陽での水素核融合は、太陽物質に蓄積されたポテンシャルエネルギーを光エネルギーに変換します。

用途

  • 遊園地のジェットコースターは、運動エネルギーを重力ポテンシャルエネルギーに変換することから始まります。
  • 重力ポテンシャルエネルギーは惑星を太陽の周りの軌道に保ちます。
  • 発射体は、重力ポテンシャルエネルギーを利用してトレビュシェットによって投げられます。
  • 宇宙船では、化学エネルギーが離陸に使用され、その後、運動エネルギーが増加して軌道速度に達します。 軌道上では、得られる運動エネルギーは一定のままです。
  • ビリヤードのゲームでボールをキューするために与えられた運動エネルギーは、衝突によって他のボールに伝達されます。

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