最終更新日：2024年9月6日

物理学の第二の基本方程式：保存される量の直感

機械エネルギー保存則

私たちが今日理解しているエネルギーの概念は、何世紀にもわたって進化してきました。それは長い間、強さと権力と混同されてきました。
という言葉エネルギー」という言葉は、1717 年にジャンベルヌーイ (1667-1748) が機械作業を定義するために書いた手紙の中に登場します。しかし、エネルギー保存の原則が確立されたのは 19 世紀半ばになってからでした。マックス・プランク (1858-1947) は、1887 年の著書「エネルギー保存の原理」でこの法則の本質的な重要性を理解しました。
中心となる考え方は、エネルギーは宇宙において一定であり、生成したり破壊したりすることはできないが、時間の経過とともにさまざまな形をとるというものです。

物理学における 2 番目の重要な方程式は、ニュートンの第 2 法則の直後に教えられることが多く、孤立系における力学的エネルギーの保存方程式です。

E_お前=E_c+E_p= 定数

•E_お前システムの総機械エネルギー (ジュール単位) です。

•E_c= 1/2 MV²は運動エネルギー、m は物体の質量、v はその速度です。 Jean le Rond d'Alembert (1717-1783) や、Daniel Bernoulli (1700-1782) などの他の科学者の貢献は、この公式の開発にとって極めて重要でした。

•E_p= mgh は位置エネルギーであり、考慮される力場の性質 (重力、弾性など) に依存します。ここで、h は基準点に対する相対的な高さ、g は重力による加速度 (9.806 65 m/s2) です。この公式はアイザックニュートン (1643-1727) の作品に関連しています。

E は私たちに何を伝えますか?_お前=E_c+E_p ?

位置エネルギーは運動エネルギーに変換でき、またその逆も可能です。たとえば、落下物体は、その重力位置エネルギー (mgh) を運動エネルギー (1/2 mv) に変換します。²）。エネルギーは保存されるので、E_c+E_p= 一定。
これは、ジュールさまざまな種類のエネルギーを測定するために選択されました。

この方程式は、物理学の最も基本的な原理の 1 つであるエネルギー保存の原理を表すため、非常に重要です。これは、（外部とのエネルギーの交換がない）孤立したシステムでは、エネルギーがある形式から別の形式に（たとえば、位置エネルギーから運動エネルギーに、またはその逆に）変換できる場合でも、総エネルギーは一定のままであることを示しています。
James Prescott Joule (1818-1889) は、熱エネルギーと機械エネルギーの保存に関する実験を行い、この原理の確立に重要な役割を果たしました。

なぜジュールを使用するのでしょうか?

エネルギー量を測定するには、ジュールが最も適切な単位です。システム内に存在するエネルギーの「写真」が得られます。たとえば、重力場内の位置によりダムに蓄えられるエネルギー (E_p= mgh) は、水が静止しているときのエネルギー量です。
質量、高さ、重力による加速度に関する情報を組み合わせることで、蓄積された重力位置エネルギーを計算できます。このエネルギーは、水が重力下で下に流れるときに仕事 (タービンを回すなど) を行う潜在的なエネルギーを表します。
ジュールを使用すると、さまざまな形のエネルギーの測定を統一し、物理学における計算を簡素化することができます。