問題59 仕事

解説

直感的理解
垂直抗力は常に面に垂直で、物体の移動方向(面に沿った接線方向)と直交するので仕事をしません。重力の仕事は経路に関係なく高さの差だけで決まるので、曲面でもまっすぐ落ちても同じです。

Step 1:重力がする仕事 \(W_1\)

AからBまでの高低差は \(h = 2.0\) m(下がる)。重力は下向き、物体も下がるので正の仕事:

$$ W_1 = mgh = 8.0 \times 9.8 \times 2.0 = 156.8 \fallingdotseq 1.6 \times 10^2 \;\text{J} $$

Step 2:垂直抗力がする仕事 \(W_2\)

垂直抗力 \(N\) は曲面に垂直で、物体は面に沿って移動するので常に直交。よって:

$$ W_2 = N \cos 90° \times d = 0 \;\text{J} $$
答え:
$$ W_1 = 1.6 \times 10^2 $$ J(重力の仕事)
\(W_2 = 0\) J(垂直抗力の仕事)
補足:保存力と非保存力

重力は保存力なので、仕事は経路によらず始点と終点の高さの差だけで決まります。

垂直抗力は、力と変位が常に直交するため仕事をしません(束縛力)。

Point

重力の仕事は高さの差だけで決まる(経路無関係):\(W = mgh\)。垂直抗力は運動方向に垂直なので仕事をしない:\(W_N = 0\)。