エネルギー保存則を「自由落下」のシミュレーターで理解しよう！[物理入門]

2021-05-11　

前回記事で、エネルギー保存則とは何かを少し説明しました。ただ積分とか出てきてややこしかったです、、、
　
今回は「自由落下」のシミュレーターを交えて、実例でエネルギー保存則とは何かを説明していきます！

エネルギー保存則の解説！

エネルギー保存則とは、「運動エネルギー」や「位置エネルギー」の合計が常に一定に保存されるという法則です。各エネルギーの定義は↓の通りです。

運動エネルギー

質量m、速度vの物体のエネルギーは
\( \displaystyle \large \frac{1}{2}mv^2 \)

位置エネルギー

高さhにいる物体のエネルギーは
\( \displaystyle \large mgh \)
* g=9.8(重力加速度）

この2つの合計値は常に一定の値になるんです！

エネルギー保存則

\( \displaystyle \frac{1}{2}mv^2 + mgh = 一定 \)

それでは自由落下運動の動きで、「運動エネルギー」と「位置エネルギー」がどう変化するか実験してみましょう！

前提

操作方法

どのような運動になるか観察してみましょう！

初期y

100

経過時間 : 0.0 秒

速度v : 0.0 m/s

位置エネルギーを青色,運動エネルギーを赤色で示しています

再生速度

1.0

↑このバーで再生の速度変更・一時停止ができます
　

POINT跳ね返り運動では、「運動エネルギー」と「位置エネルギー」を交互に変換しながら運動し続ける！

「自由落下」の運動では、速度vは一番高さの高い頂点で0となり、地面に衝突するときに最大となります。

そのため、頂点のときは、エネルギー全てが位置エネルギーとなり

地面に衝突する瞬間に、エネルギーが全て物理エネルギーに変わります。

　
この繰り返しで、位置エネルギー→物理エネルギー→位置エネルギー…と繰り返しループしていくんですね！(非弾性衝突の場合はエネルギーが少しずつ失われていきます)
　

まとめ

[関連記事] エネルギー保存則

2．「自由落下」でのエネルギー保存則(本記事)