教科書(物理基礎) 類題17:力学的エネルギー保存則

解法

直感的理解
初速がある場合も力学的エネルギー保存則が使えます。点 A での全エネルギー = 点 B での全エネルギーという関係から、未知の速さを求めます。

なめらかな曲面上を小球が点 A(高さ \(h_A = 3.0\,\text{m}\)、速さ \(v_A = 4.0\,\text{m/s}\))を通過し、点 B(高さ \(h_B = 1.0\,\text{m}\))を通過するときの速さ \(v_B\) を求めます。

力学的エネルギー保存則より、

$$\frac{1}{2}mv_A^2 + mgh_A = \frac{1}{2}mv_B^2 + mgh_B$$

\(m\) で割ると、

$$\frac{1}{2}v_A^2 + gh_A = \frac{1}{2}v_B^2 + gh_B$$ $$v_B = \sqrt{v_A^2 + 2g(h_A - h_B)} = \sqrt{4.0^2 + 2 \times 9.8 \times (3.0 - 1.0)}$$ $$= \sqrt{16 + 39.2} = \sqrt{55.2} \fallingdotseq 7.4\,\text{m/s}$$
答え:
$$v_B = \sqrt{v_A^2 + 2g(h_A - h_B)} \fallingdotseq 7.4\,\text{m/s}$$

B が A より低い(\(h_A > h_B\))ので \(v_B > v_A\) です。

補足:質量が消える理由

保存則の式 \(\frac{1}{2}mv_A^2 + mgh_A = \frac{1}{2}mv_B^2 + mgh_B\) の両辺に共通因子 \(m\) があるため、割り算で消えます。

つまり、質量に関係なく同じ速さになるのです。重い球も軽い球も、同じ高さから滑り下りれば同じ速さで底に達します。これはガリレオの自由落下の法則と本質的に同じです。

数値計算:2 × 9.8 = 19.6

数値計算:2 × 9.8 = 19.6

Point

力学的エネルギー保存則では \(m\) が消えるので、質量に関係なく速さが決まります。B が A より低ければ \(v_B > v_A\)、高ければ \(v_B < v_A\) です。