衝突の物理学 ~エネルギー保存則~

By b_kimura,

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しもにゃんこと下山から玉の衝突についての質問をされたので、
簡単にまとめてみます。

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銀の玉が3つ並んだところに同じ玉がぶつかった様子を表しています。
右からやってきた玉は3つ並んだ玉にぶつかりますが、大事なのは赤い矢印の存在。
STEP1
動いている物体にはエネルギーというものが存在しています。(運動エネルギー)
STEP2
一番右の運動エネルギーというものを持った玉は、衝突すると止まるので、
運動エネルギーは失われます。
が、この運動エネルギーは完全に消滅したわけではなく、ぶつかった玉に
それが移り、更に隣の玉に移り更に隣の玉に移っていきます。
STEP3
すると最終的に一番左の玉に運動エネルギーが移り変わり、何かにぶつかって
止まるまで運動エネルギーは消えません。

この運動エネルギーの移り変わりこそが、一番右の玉と左の玉が離れているにも
関わらず左の玉が動き出す理由になります。

この例を見てもわかるとおり、STEP1~STEP3の一連の流れでは、運動エネルギーは保存されています。
つまり途中で消えてなくなったりはしません。

実は、保存されるのは運動エネルギーだけではなく、全てのエネルギーは保存しています。
例えば…

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しもにゃんこと下山がピンチの図です。
以下にも頭上から鉄球が落ちてきそうな感じです。
鉄球はまだ、コロコロとゆっくり転がっていますが、この運動エネルギー以外にも、大きなエネルギーをもっています。
その名もポテンシャルエネルギー。ちょっとカッコイイ名前です。
高い所にある物はそれだけでもエネルギーを持っていて、高い所にある物は下に落ちると、高度を下げる代わりにだんだんスピードを上げていきます。

つまり、ポテンシャルエネルギーがだんだんと運動エネルギーに変わっているということになります。

今の例の場合、最初から持っているポテンシャルエネルギーを10とすると、玉が下に落ちることで高さが減るためポテンシャルエネルギーは10、9、8と減っていく代わりに、速さが増すため1、2、3と増えていきます。
なので、ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーを足せば常に10になるようにできています。

これをエネルギー保存則と呼びます。

今のところ挙げたエネルギーは運動エネルギーとポテンシャルエネルギーだけですが、実はエネルギーには色んなエネルギーが存在します。

化学エネルギー 原子核エネルギー 熱エネルギー 電気エネルギー
静止エネルギー 音エネルギー 光エネルギー ダークエネルギー

などなどがありますが、大事なことはこれらの形態を変えながらも全てエネルギーは保存されるということです。

例えばさっきの鉄球が、しもにゃんこと下山に落ちるとどうなるか…

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しもにゃんこと下山が潰れてしましました。
これをエネルギーという観点で見てみましょう。

まず、高い所にあるためポテンシャルエネルギーがありました。
次に、落下することにより運動エネルギーに変換されました。
更に、しもにゃんこと下山にぶつかることで、鉄球は止まる代わりに(運動エネルギーを失う代わりに)、しもにゃんこと下山の体がひしゃげ、熱、光、音に変わっていきます。

これらの一連の流れでも、最初の4つの鉄球の衝突と同様にエネルギーは形態を変えながらではありますが、常に保存されています。

実は日常生活でも、それを体感することができます。

今ご覧になっている弊社のホームページを見ているPCやスマホ(ホームページ制作のことならユナイテッドユースへ!)はどうやって動いているか…もちろん、電気です。
その電気はどこからやってきているか、発電所です。
発電所の電気はどこからやってきているか…火力発電です(原子力発電、水力発電等もありますが)。
火力発電は石油などを燃やした熱で、水を水蒸気に変えタービンを回しています。

この一連の流れをエネルギーの視点で見てみましょう。

まず、一億年以上かけて出来た石油燃料を燃やして熱エネルギーを得ます。
その熱エネルギーによって水は水蒸気になりタービンを回し、運動エネルギーになります。
タービンを回すことによって発電するため、ここで電気エネルギーに変わります。

電気エネルギーが家庭まで運ばれて、PCを動かし画面に文字を移します。ここで光エネルギーに変わっています。
この光エネルギーが目に入り、網膜を刺激して体の中を電気という形で脳に情報が到達します。ここで電気エネルギーに変わっています。
その電気エネルギーが脳で色々と作用し電気エネルギーで筋肉を刺激し、筋肉が動くことで、しもにゃんこと下山は、くしゃみをします。

しもにゃんこと下山がくしゃみをするためには、一億年以上かけて出来た化石のお陰だったのでしょう。
ありがたいくしゃみです。