科学の公式・力学編6　「力学的エネルギー」とは何か？ : サイエンスジャーナル

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環境にやさしい「風力」「波力」「水力」
　エネルギーとは仕事をすることのできる能力のことであった。近年、石油・石炭などの化石燃料の燃焼で出てくる、化学エネルギーや熱エネルギーを、うまく利用することで人類は発展してきた。

　しかし、これには二酸化炭素による地球温暖化や、大気汚染などの環境問題を引き起こしてしまった。そこで現在、環境にやさしいエネルギーの利用がさかんに考えられている。

　環境にやさしいエネルギーとして注目されているのが、風力や波力、水力を使った発電である。これらのエネルギーは環境にやさしいということ以外に、共通点がある。それは何だろうか？

　力学的エネルギーと力学的エネルギー保存の法則
　正解はどれも力学的エネルギーであるということである。力学的エネルギーとは何だろう？

　力学的エネルギーとは、運動エネルギーや位置エネルギーのことを指す。理想的な場での物体の運動は、力学的エネルギーすなわち、運動エネルギーと位置エネルギーの和は一定になる。これを、力学的エネルギー保存の法則と言う。

　これを式で書くと次のようになる。ただし、運動エネルギーを K 、位置エネルギーを U 、力学的エネルギーを E とする。

　　E ＝ K　＋　U 　　　

　実際にエネルギーは、摩擦力などを通して、熱エネルギーなど他のエネルギーに変わることがある。この場合、力学的エネルギーの保存は成立しなくなるが、エネルギー全体としては保存している。より広義の意味で、エネルギーは保存しているので、これをエネルギー保存の法則という。

運動エネルギーとは何か？
　運動エネルギーとは、運動している物体が持つエネルギーのことである。質量ｍの物質が速さVで運動しているとき、この物体が持つ運動エネルギーは K は次のように表される。

　　K ＝ 1／2 ｍV²　　　

位置エネルギーとは何か？
　位置エネルギーとは、物体が「ある位置」にあることで物体にたくわえられるエネルギーのことである。力学ではポテンシャルエネルギー（potential energy）ともいう。質量ｍの物質が高さｈの位置に置かれているとき、この物体が持つ位置エネルギーUは次のようになる。

　　U ＝ｍgｈ

　上の図は落下する物体のエネルギーの移り変わりを表している。h は物体のある高さ、t は時間、Epot は位置エネルギー、Ekin は運動エネルギー、Etot は力学的エネルギーである。物体の落下にともなって、位置エネルギー（黄色い部分）は減少し、運動エネルギー（青い部分）は増加する。

　ここで重要なのはボールが落下している間、力学的エネルギーはつねに一定で変わらないということである。物体が動くときには、エネルギーの種類は変わるがその総量は増えたり減ったりしない。この法則を力学的エネルギー保存の法則と呼ぶ。