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速度が2倍になると,運動エネルギーはその2乗で4倍になります.
なので,10km/hのエネルギーを1とすると,20km/hでは4です.
つまり,時速0km/hの物体を10km/hに加速させるのには,1のエネルギーが必要とすれば,10km/h→20km/hに加速するには3のエネルギーが必要?
同様に,20→30kmに加速するには5のエネルギーが必要で・・・・
というように,速度が早くなればなるほど,10km/h加速するのに必要なエネルギーが増えてしまうのですが,この考えは正しいのでしょうか?
速度は相対的なものですし,直感的に正しくない気がするのですが,よくわかりません.
No.3ベストアンサー
- 回答日時:
(アインシュタインの) 相対論的に考えれば, 10km/h から 20km/h に加速するときのエネルギーと 20km/h から 30km/h に加速するときのエネルギーが違う (後者の方が大きい) のは当然です.
あっち世界では, 運動エネルギーは「その速度で運動するための質量エネルギーの増分」となっています. で, 質量 (エネルギー) の増分は 10km/h → 20km/h よりも 20km/h → 30km/h のときの方が多いです.
でもって, 慣性系を乗り換えるたびに速度の合成を行わなきゃならないので, 「乗り換えた慣性系では速度の増分が一定」であっても「もともとの慣性系では速度の増分が減っていく」ということになります>#2.
No.5
- 回答日時:
例えば、重力でも、手で押すでも、何らかの外力で、物体に力を作用させて、速度を得る場合を考えます。
速度を2倍にするには、2倍の時間力を作用させる必要があります。
1倍の速度になるまでに進む距離と2倍の速度になるまでに進む距離は1:4になります。(進む距離=1/2×加速度×時間の2乗)
エネルギーの定義は、力×距離ですから、同じ力を加え続けて、4倍の距離を作用させれば、エネルギーは4倍必要ということになります。
自動車では、空気抵抗や、摩擦を抜きにして考えます。
要はタイヤの回転速度で、自動車の走行速度が決まり、エネルギーはすべてタイヤの回転速度に変換されると考えます。
タイヤの慣性モーメントだけを考慮し、タイヤの回転速度を2倍にするには、1倍のときの4倍のエネルギーを加える必要があります。
同じトルクを4倍の角度分加え続けなければならないからです。
自転車でも、どんなに空気抵抗のない場合でも、早く回っているものをさらに早くまわそうとすると、とにかくたくさん回転させなければ、2倍の速度にならないのです。
ロケットは、小物体を噴射することによって、反作用により推力を得ます。
自ら、質量を減らしながら、推力を得ているので、慣性系の移し変えはややこしいことになります。
実は、ロケットの場合、噴射した分の物体と本体を含めた重心の速度は止まったままです。エネルギーは、噴射物体分と本体分に振り分けられます。慣性系を移して考えると、結局なにを計算しているのかわからなくなってしまいます。
No.4
- 回答日時:
ひとつの物体だけを考えると、速度 V の座標系では物体を速度 0 から v に加速するのに必要なエネルギーは (1/2)mv^2 で、同じ現象を速度 0 の座標系で見ると、速度 V から V+v に加速されているので、必要なエネルギーは (1/2)m((V+v)^2-V^2) = (1/2)m(v^2+2Vv) となり、mVv のエネルギーがどこからか湧いてきてしまいます。
この矛盾を解消するには「作用反作用の法則」が必要です。
つまり、m を v だけ加速するには反作用質量 M を (m/M)v だけ逆向きに加速する必要があるのです。
すると、速度 v の座標系で必要なエネルギーは、
(1/2)mv^2+(1/2)(m^2/M)v^2
速度 0 の座標系で必要なエネルギーは、
(1/2)m((V+v)^2-V^2)+(1/2)M((V-(m/M)v)^2-V^2)
= (1/2)m(v^2+2Vv)+(1/2)((m^2/M)v^2-2mVv)
= (1/2)mv^2+(1/2)(m^2/M)v^2
と、どちらも等しくなります。
No.2
- 回答日時:
こんにちは。
結論から申しまして、正しいです。
私自身も若かりし頃、似たような「パラドックス」にはまりました。
1.
時速0km/hの物体を10km/hに加速させるのに,1のエネルギーを使う
2.
次に、物体が進む方向に10km/hを足した慣性系で考える
すると、その物体は止まって見える。
つまり、10km/hの物体は相対速度0km/h
3.
これを、相対速度20km/h(相対速度10km)に加速するには、1のエネルギー ・・・・・あれれ?
となってしまったわけです。
以上の考え方はまずいので、考え直します。
重力加速度gのもとで、ある高さ(ゼロとする)から物体を自由落下させることを考えます。
物体が距離hだけ落下した状態を考えると、
位置エネルギーは、-mgh、
エネルギー保存則より運動エネルギーはmgh
一方、時刻をtと置けば、
速度vは v=gt、
距離hは、
h=∫vdt = 1/2・gt^2
= 1/2・g・(v/g)^2
= 1/2・v^2/g
よって、運動エネルギーmghは、
mgh = mg・1/2・v^2/g = 1/2・mv^2
(そのとき位置エネルギーは、-mgh)
何を言いたいかといえば、
やっぱり、エネルギー(mgh)と v^2 は、比例関係にあるので、
vを1倍、2倍、3倍にするには、
通算で、1、3、5、7・・・・・のエネルギーが必要だということです。
No.1
- 回答日時:
その通りです。
だから,自動車のエンジンのパワーが増えても最高速度は対して上がらないのはそのためです。
時速100キロだすためには50馬力もあれば十分ですが200キロをだすためには
200馬力近いパワーがいりますよね。
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