例題25 力学的エネルギーの保存

設問(1) 点Aでの力学的エネルギー

直感的理解
なめらかな面ではエネルギーが失われないので、力学的エネルギー(運動エネルギー + 位置エネルギー + 弾性エネルギー)は常に一定です。点Aでは静止しているので運動エネルギーは0、すべてが重力の位置エネルギーです。

点Aでは静止(\(v = 0\))なので、運動エネルギー \(K_A = 0\)。

位置エネルギー(水平面BCを基準):

よって力学的エネルギーは:

答え:
$$K_A + U_A = 49 \text{ J}$$
Point

力学的エネルギー = 運動エネルギー + 位置エネルギー。「静かにすべり落とした」= 初速度ゼロ。高い位置にある物体はそれだけでエネルギー(位置エネルギー)を持っている。

設問(2) 水平面BCでの速さ

直感的理解
なめらかな面を滑り下りるので、点Aの位置エネルギーがすべて運動エネルギーに変わります。\(mgh = \frac{1}{2}mv^2\) から速さが決まります。

力学的エネルギー保存則:

$$K_A + U_A = K_B + U_B$$

点Bでは水平面上なので \(U_B = 0\):

$$0 + mgh = \frac{1}{2}mv^2 + 0$$ $$\frac{1}{2} \times 2.0 \times v^2 = 49$$ $$v^2 = 49 \quad \therefore v = 7.0 \text{ m/s}$$
答え:
$$v = 7.0 \text{ m/s}$$
Point

なめらかな斜面では力学的エネルギーが保存する。\(mgh = \frac{1}{2}mv^2\) から、速さは斜面の角度や形状に依存せず、高さだけで決まる。

設問(3) ばねの最大の縮み

直感的理解
ばねが最も縮んだ瞬間、物体は一瞬止まります(\(v = 0\))。そのとき運動エネルギーはゼロで、最初の位置エネルギーがすべてばねの弾性エネルギーに変換されています。

ばねが最も縮んだとき、物体は一瞬静止する(\(K = 0\))。

力学的エネルギー保存則(点A → ばね最大圧縮時):

$$K_A + U_A = K + U + \frac{1}{2}kx^2$$ $$0 + 49 = 0 + 0 + \frac{1}{2} \times 50 \times x^2$$ $$x^2 = \frac{49}{25} = \frac{7.0^2}{5.0^2}$$ $$x = \frac{7.0}{5.0} = 1.4 \text{ m}$$
答え:
$$x = 1.4 \text{ m}$$
別解:(2)の結果を利用

水平面BCでの速さ \(v = 7.0\) m/s を使い、水平面上でのエネルギー保存を考えます。

$$\frac{1}{2}mv^2 = \frac{1}{2}kx^2$$ $$2.0 \times 7.0^2 = 50 \times x^2$$ $$x^2 = \frac{98}{50} = 1.96 \quad \therefore x = 1.4 \text{ m}$$

同じ結果が得られます。どこからエネルギー保存を適用しても答えは変わりません。

数値計算:質量 \(m = 2.0\) kg、加速度 \(a = 3.0\) m/s² のとき:

$$F = ma = 2.0 \times 3.0 = 6.0 \text{ N}$$ $$W = mg = 2.0 \times 9.8 = 19.6 \text{ N}$$
Point

ばねが最大に縮む瞬間は \(v = 0\)。重力やばねの弾性力はともに保存力なので、力学的エネルギー保存則 \(K + U = \text{一定}\) が使える。弾性エネルギー \(\frac{1}{2}kx^2\) を忘れずに含めること。