例題26 保存力以外の力の仕事

設問(1) ばねから離れるときの速さ

直感的理解
ばねが自然の長さに戻った瞬間、物体はばねから離れます。なめらかな面上なのでエネルギーは保存され、ばねの弾性エネルギーがすべて運動エネルギーに変わります。

方針:なめらかな面上での力学的エネルギー保存則を使う。

最初の状態:ばねが \(x_0 = 0.70\) m 縮んでおり、物体は静止(\(v = 0\))。

ばねの弾性エネルギー:

ばねが自然の長さに戻ったとき、弾性エネルギーはすべて運動エネルギーに変換:

答え:
$$v = 7.0 \text{ m/s}$$
Point

ばねから離れるのは「ばねが自然の長さに戻った瞬間」。なめらかな面上では \(\frac{1}{2}kx^2 = \frac{1}{2}mv^2\) で速さを求められる。

設問(2) AB間の距離

直感的理解
あらい面上では摩擦力が仕事をするので、力学的エネルギーは保存しません。失われたエネルギー = 摩擦力がした仕事(負の仕事)。「力学的エネルギーの変化 = 保存力以外の力がした仕事」を使います。

方針:力学的エネルギーの変化 = 動摩擦力がした仕事(\(W = -Fx\))

点Aでの力学的エネルギー:

$$E_A = \frac{1}{2}mv^2 = \frac{1}{2} \times 1.0 \times 7.0^2 = 24.5 \text{ J}$$

点Bでの力学的エネルギー(停止):

$$E_B = 0 \text{ J}$$

動摩擦力の大きさ:

$$F = \mu' mg = 0.50 \times 1.0 \times 9.8 = 4.9 \text{ N}$$

動摩擦力がした仕事:

$$W = -Fl = -4.9l \text{ J}$$

力学的エネルギーの変化 = 保存力以外の力の仕事:

$$E_B - E_A = W$$ $$0 - 24.5 = -4.9l$$ $$l = \frac{24.5}{4.9} = \frac{7.0^2}{2 \times 4.9} = 5.0 \text{ m}$$
答え:
$$l = 5.0 \text{ m}$$
別解:運動方程式と等加速度直線運動

あらい面上での運動方程式:

$$ma = -F = -\mu' mg$$ $$a = -\mu' g = -0.50 \times 9.8 = -4.9 \text{ m/s}^2$$

等加速度直線運動の公式 \(v^2 - v_0^2 = 2al\)(\(v = 0\)):

$$0 - 7.0^2 = 2 \times (-4.9) \times l$$ $$l = \frac{49}{9.8} = 5.0 \text{ m}$$

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

保存力以外の力(摩擦力)がはたらく場合、力学的エネルギーは保存しない。その変化量が摩擦力の仕事に等しい:\(E_{\text{後}} - E_{\text{前}} = W_{\text{非保存力}}\)。動摩擦力の仕事は常に負(\(W = -F \cdot (\text{移動距離})\))。