問題66 保存力以外の力の仕事

解説

直感的理解
斜面はなめらかなので、頂上の位置エネルギーがそのまま斜面下端での運動エネルギーになります。粗い面を通過する間に、摩擦力が負の仕事をして力学的エネルギーが減少します。その減少分が摩擦力のした仕事です。粗い区間で物体がちょうど止まったなら、力学的エネルギーはすべて失われたことになります。

(1) 力学的エネルギーの変化

斜面頂上(静止、高さ \(h = 0.70\) m)を始点、粗い区間を通過した点を終点とする。

斜面はなめらかなので、斜面下端での力学的エネルギーは:

粗い面でちょうど止まった場合(\(v = 0\)、\(h = 0\))、力学的エネルギーの変化は:

(力学的エネルギーは \(6.86\,m\) J 減少)

(2) 動摩擦係数 \(\mu'\)

摩擦力のした仕事が力学的エネルギーの変化に等しい:

答え:
(1) 力学的エネルギーの変化 \(= -6.86\,m\) J(\(mgh = m \times 9.8 \times 0.70\) だけ減少)
(2) \(\mu' = 1.0\)
補足:保存力以外の力と力学的エネルギーの関係

保存力以外の力(摩擦力など)がする仕事 \(W_{非保存}\) は、力学的エネルギーの変化に等しい:

$$W_{非保存} = \Delta E = E_{後} - E_{前}$$

摩擦力は常に運動方向と逆向きなので負の仕事をし、力学的エネルギーを減少させます。

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

保存力以外の力の仕事 = 力学的エネルギーの変化:\(W_{摩擦} = \Delta E\)。摩擦力の仕事は \(W_{摩擦} = -\mu' mg d\)(負の仕事)。