高校物理、エネルギー保存則

参考書に、保存力以外が仕事をすると、その分だけ力学的エネルギーは変化する。
保存力以外の力の仕事＝力学的エネルギーの変化
特に、保存力のもとで物体に外力を加え、静かに移動させるとき、外力のする仕事は
外力のする仕事＝位置エネルギーの変化
(疑問）
保存力のもとで物体に外力を加えとあるのですが、外力は保存力ではないのに、保存力のもとで外力を加えるという意味がわからないのですが、どういう意味ですか?

No.5 ベストアンサー 回答者： teppou 回答日時： 2014/03/28 14:23

　No.4です。

補足に回答します。

　No.4の回答の例でいえば、台と台の上の物体です。

　台の上の物体を中心に考えれば、物体には重力と台からの垂直抗力が働いています。

　この場合の垂直抗力は外力です。

　むろん台にも重力が働いていますが、台は動きを何かに拘束されているという想定です。

　台がなければ、物体は落下し、台を上げれば物体の位置エネルギーは増加します。

No.4 回答者： teppou 回答日時： 2014/03/28 06:27

　No.1です。

（疑問）を読み違えていました。訂正します。

　保存力と外力の関係ですが、例えば、ある高さの台の上に置いてある物体を考えますと、その物体には重力（保存力）による下向きの力と、垂直抗力（外力）が釣り合って、その高さに静止しています。

　その台に力を加えて上にあげると位置エネルギーは増えていきます。台を上にあげる力は外力です。

　外力は、保存力ではないので、力学的エネルギー保存則は成り立ちませんが、エネルギーを変化させます。

　通常身の回りにある物体は、重力という保存力が加わっています。保存力のもとにあるといいます。

　その状態で持ち上げたりする力は保存力でないので、外力と言います。

この回答への補足

外力というのは２つの物体間にたがいに働く力ということだそうなのですが、ここでは、どの２つのぶったいに注目しているのでしょうか？

補足日時：2014/03/28 11:18

No.3 回答者： hitokotonusi 回答日時： 2014/03/27 11:11

この文言からすると，おそらく重力下で手で支えながら物体を持ち上げるような話をしているのではないかと思います。

保存力のもとで＝＞重力の下で
外力を加え＝＞手で持ち上げ

そして

静かに移動させる＝＞加速度0に近似できる状態で

と思われるので，手から受ける力をFとすると運動方程式が

ma = 0 = F - mg

移動距離hをかけると

0 = Fh - mgh

から

Fh = mgh

Fhは外力がする仕事(手がする仕事)，mghは位置エネルギーの増加なので

＞外力のする仕事＝位置エネルギーの変化

となります。

このポイントは

＞静かに移動させるとき

で，これは上述のとおり手の力と重力がほとんど釣り合って加速度0と近似できる範囲で動かす，つまり，運動エネルギーの変化が0に限りなく0に近い状態で動かすことを考えています。運動エネルギー変化が0ということはトータルな仕事が0なので，手の仕事と重力の仕事の大きさが等しく相殺することになっています。

No.2 回答者： ddtddtddt 回答日時： 2014/03/27 09:43

　このケースでは、外力は、物体に作用する力くらいの意味で使われています。

外力には、#1さんの仰るように、保存力と非保存力がある訳です。

　外力という用語があるのは、それと対になる内力という（はっきりと定義された）言葉があるからですが、今は気にしなくてもＯＫでしょう。

　なので、良い表現とはとても思えませんが「保存力のもとで物体に外力を加え・・・」は、「物体に保存力のみ加え・・・」の意味になります。


　ちなみに大学では「保存力場のもとで導かれる外力を物体に加えれば・・・」という言い回しがあります。上記は恐らくこれを、高校風に（安易に）焼き直した言い方のように見えます。

この回答への補足

保存力がだけが仕事をするとき、力学的エネルギーは保存されます。
「特に以降の文」は力学的エネルギーは保存されていませんよね？
保存力（重力）が働く状況で外力を加える（手の力）ということでしょうか？
なぜ、位置エネルギーだけ変化するのでしょうか?
滑らかで、平らな床の上においた台車に力を加えるときは保存力が働く状況で外力を加えるといえるのでしょうか?（この状況でも、重力が台車に働く、外力を加えるという状況だと思うのですが)運動エネルギーが変化するようにおもうのですが。」

補足日時：2014/03/27 16:41

No.1 回答者： teppou 回答日時： 2014/03/27 06:40

　非保存力の典型は、摩擦力です。

　空気中で運動する物体には、空気との摩擦（空気抵抗）が発生します。

　空気抵抗により、運動エネルギーの一部は、熱（内部エネルギー）に変換され、空気の温度が上がります。
　内部エネルギーと力学的エネルギーの総和は、変化しませんが、内部エネルギーと力学的エネルギーは不可逆ですので、力学的エネルギーは変化します。

　多くの問題で、空気抵抗はないものとするとの但し書きがあるのは、このためです。