力学的エネルギー保存則

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物理学のニュートン力学に於ける力学的エネルギー保存則(または力学的エネルギー保存の法則)とは運動エネルギーと位置エネルギーの和である力学的エネルギーが一定であるとゆー事を主張する法則である。

概要[編集]

ニュートンの運動方程式

  • mr¨=F⋯(1)

に於いて外力が位置にしか依存しない即ち

F=F(r)

が成り立っているとする。

(1)の両辺に(スカラー積の形で)r˙を掛けると

mr˙⋅r¨=F⋅r˙

となる。ここでv=r˙(これは速度)とおいて上式の両辺を積分したら

∫mv⋅r¨dt=∫F⋅r˙dt+C

となるがdv/dt=r¨(これは速度の時間微分即ち加速度)より上記積分は

∫mv⋅dv=∫F⋅dr+C

と書ける(置換積分)。左辺の積分は簡単に計算できて

12mv2=∫F⋅dr+C

が導かれる。ここで

K=12mv2,U=−∫F⋅dr,C=E

とおけば等式

  • K+U=E

が得られる。これが所謂力学的エネルギー保存則である。 Kは運動エネルギー、Uは位置エネルギー(ポテンシャル)を表わしている。積分定数Cを書き換えたものであるEは全エネルギー表わす。

保存力[編集]

前節で示したように位置エネルギーUには

U=−∫F⋅dr

とゆー関係が成り立つが、ここで

dU=−F⋅dr

とゆー式が成立する事が分かる。この左辺のdUは全微分を用いて

dU=∂U∂xdx+∂U∂ydy+∂U∂zdz=∇U⋅dr

と表わせる。これから

  • F=−∇U

とゆー関係式が導ける。上記関係式を満たす外力F を保存力と呼ぶ。

関連項目[編集]