力学的エネルギーとはズバリ、
運動エネルギー と 位置エネルギー をまとめた “合計エネルギー” のこと
だ。数式で表すと、
力学的エネルギー = 運動エネルギー + 位置エネルギー
だな。
ちょっと復習すると、
のことだったな。
忘れちまったら運動エネルギーと位置エネルギーの違いで復習しておいてな。
オッケー。力学的エネルギーの正体はわかった。
でも、なんでわざわざ力学的エネルギーって名前をつけてまで勉強するんだな？？
それはな、
力学的エネルギーの保存の法則
ってやつがあるからなんだ。
この法則はズバリ、
力学的エネルギー（位置エネルギー+運動エネルギー）は常に一定に保たれる
って法則さ。
ジェットコースターを使って、この法則を見てみよう！
高いところからスタートするジェットコースター。
最初は、高い所にいるから位置エネルギーは大きい。
そして、動き始めると段々速くなっていく。そうなると、運動エネルギーが大きくなるんだ。
つまり、位置エネルギーが減ったぶん、運動エネルギーが増えるからプラスマイナスゼロってこっちゃ。
不思議なことに、位置エネルギーと運動エネルギーの和はいつも一定なんだ！
具体的にいうとこうだ。
このように、力学的エネルギーの保存の法則は、物体が持つエネルギーが一定であることを示すんだ。
ジェットコースターをみると、エネルギーがうまく変わっていく様子がわかるな。
次回何かを見て運動やエネルギーについて考えるときは、この法則を思い出してみてくれ！
理科の授業でつまずいたキミも、コレを読めばバッチリだ！
運動エネルギーと位置エネルギーって、みんなも聞いたことあるよな？
両方とも前回勉強したエネルギーの一種さ。
同じエネルギーなんだけど、エネルギーを持っている物体の状態が違うぞ。
運動エネルギーは、読んで字のごとく、動いている物体がもっているエネルギー。
位置エネルギーは、高いところにある物体がもっているエネルギーさ。
おっしゃ、まずは運動エネルギーだ。
このエネルギーは、
物体の「速さ」と「質量」によって決まる
んだ。
速ければ速いほど、そして重ければ重いほど、その物体のもつ運動エネルギーは大きくなる。
つまり、お相撲さんが新幹線ぐらいのスピードで動いたら最強ってことだ。
「質量（重さ）」と「速さ」がタッグを組んだとき、運動エネルギーは一気に爆発的に大きくなる。
この運動エネルギーがゆえ、運動している物体は、他の物体を動かしたり、形を変えたりすることで、そのエネルギーを伝えられる。
次は位置エネルギーだ。
高いところにある物体は、地面に落ちる力、つまり重力によってエネルギーをもってるんだ。
そのエネルギーは、
物体の「高さ」と「質量」で決まる
ぞ。
物体が高ければ高いほど、重ければ重いほど、高い位置エネルギーをもつってわけさ！
たとえば、エベレストの頂上にいるお相撲さんなんかは、ものすごい位置エネルギーをもってるってことだ。
エネルギーって、一体どういうものなのか気になるよな。
ズバリ、エネルギーとは
ものを動かしたり、変化を起こしたりする可能性を持っていること
なんだ。
これがわかれば、中学理科のチェックポイントを押さえられるぞ。
たとえば、高いところにあるボール。
こいつは一見、何もしていないよな？？ ただ、止まっているだけさ。
でもな、このボールが下に落ちたらどうなる？？
そう、落ちたら音がするだろうし、もしかしたら地面が少し凹んじまうかもしれねえ。
つまり、高いところにあるボールは「ものを動かしたり、変化を起こしたりする可能性」を持っていた、ということになるわけよ。
ゆえ、あのボールにゃ、とんでもないエネルギーがあったのさ。
エネルギーを理解するには、もう少し具体的に見てみよう。
エネルギーには色んな種類があるんだ。簡単に紹介するぞ！
いろんなエネルギーが重なり合って、物体が動いたり形が変わったりするんだ。
詳しくは「運動エネルギーと位置エネルギーの違い」を読んでみてくれよな。
エネルギーにはとても大切なルールがある。それが、エネルギーの保存則だ。
この法則は、
エネルギーは形を変えても、全体の量は変わらない
というもの。
たとえば、高いところからボールが落ちると、「位置エネルギー」は減るけれど、その分「運動エネルギー」が増える。
エネルギーの形は変わっても、合計のエネルギーはいつも同じなんだ。
このルールを知っておけば、エネルギーの仕組みがもっとよくわかるぞ！
詳しくは「エネルギーの保存則」の記事を読んでみてくれよな。
作用・反作用の法則っていうのは、
力が加わると、その反対方向にも同じ大きさの力が生まれる法則のこと
だ。
くわしく見ていこうか！
まず基本のシナリオだ。
2つの物体AとBがある状態を考えてみよう。
物体Aがコロコロ転がって、物体Bにぶつかったとする。
この場合、物体Aが物体Bを押す力（作用）が発生するよね。
当然、物体Bは物体Aと同じ方向に動こうとするだろうな。
でも、ここでスゴイのは、物体Bも物体Aを逆方向に押している（反作用）ってことさ！
その結果、物体Aはぶつかった後に失速したり止まったり、逆方向に動き出すかもしれないぞ。
この作用と反作用の法則は、バランスが大事！
面白いのは、AがBに加える力と、BがAに加える力は、
大きさが同じで逆向きに働くってこと！
これが作用反作用の醍醐味なんだぜ。
Aが超高速スーパーパワーでBにぶつかったら、その分Aも超高速スーパーパワーの力をBから受けるってことよ。
どんな場面で作用・反作用の法則が働くか、具体例を見てみよう。
ボールを投げる時を思い浮かべてみるといいぞ。
投げたボールには、手からの力が加わる（作用）けど、
同時にボールからも手には逆の反発力（反作用）が働いてるんだ。
ボールを思い切り投げると、手に「押し返される感じ」が残るよね？
これは、手がボールを押す力（作用）に対して、ボールが手を押し返している力（反作用）なんだぜ。
ロケットは、燃料を下向きに噴き出す（作用）。
その反対方向に上向きの力（反作用）が働いて、空へ飛び立つ。
これも超有名な「作用反作用」の応用例だ！
慣性の法則とは、
物体には特定の状態を維持しようとする性質がある
っていう法則だ。
動いているものはそのまま動き続け、止まっているものはそのままでいようとするんだ。
物体が持っている「特定の状態を維持しようとする性質」のことを
慣性（かんせい）
っていうぞ。
自転車をこぎ始めるのは大変だけど、一度走り出すとスイスイ進むだろ？？
こぎ始めが大変なのは自転車が止まっていようとするからで、そのあとスイスイ進むのは動いている自転車がそのまま動き続けようとする慣性の性質を持っているからなんだな。
物体が動いているときに、外部からの力がはたらかない場合、
動いている物体はそのまま等速直線運動を続けるぞ。
物体に力が働いていても、それらの力がつり合っていれば、物体は動かない。
つまり、静止している物体はそのまま静止し続けるんだ。
日常生活の中でも、慣性の法則が実感できる場面がたくさんあるぞ。
たとえば、こんなときだ。
車が急にブレーキをかけたとき、乗っている人が前に「ふわっ」と進む感じ、あるよな。
これは乗っている人の体が慣性によって同じ速度で前に進んでしまうからなんだ。
映画で見たことあるか？
テーブルクロスを素早く引くと、慣性の法則によって上の食器が動かずそのままになるんだ。
つまり、動いていない食器には、そのまま動かないようにする性質があるってことさ。
これで、慣性の法則についてしっかりと理解できたはずだ！
力の合成っていうのは、
2つ以上の力を1つにまとめる方法のこと
だったよな。
おっし、まずは合成する力たちが1つの直線上にある場合からいくぞ。
力Aと力Bが同じ方向に向かっているなら、その合力はシンプルに2つの力を足し合わせたものになる。
力Aの大きさがa、力Bの大きさがbなら、合力Fは、
$$ F = a + b $$
だ！
力の向きはもちろん、もとの力たちと同じだぜ。
たとえば、力Aの大きさが3、力Bの大きさが2なら、合力Fは、
$$ F = 3 + 7 $$
$$ F = 10 $$
になるってこったな！
次は、直線上にない2つの力の合成だ。
ここでのポイントは、平行四辺形を使うことだ。力Aと力Bをそれぞれの辺とする平行四辺形を描こう。
すると、その対角線の向きが合力の向きになるんだ。
合力の大きさは、その対角線の矢印の長さとして表される。
これを作図で確認しよう！
力の分解とは、
ひとつの大きな力を2つ以上の力に分けること
だったよな。
作図のポイントは次の通りだ。
たとえば、こんな感じの力Fがあったとする。
まずは力を分解する方法を決める。分解する2つの方向を決めてくれよな。
で、その2つの方向でFが対角線になるような平行四辺形を書く。
このとき、平行四辺形の2辺が分解した分力になるってことよ。
ここでは、力の合成と分解の基本を見ていこう！
力の合成とは、複数の力が働いたとき、これを１つの力として捉える方法だ。
力の分解は逆に、1つの力を複数の力に分けることだ。
力の合成の考え方は、2つの力を合わせて大きな力にすることなんだ。
たとえば、2つの力 \(A\) と \(B\) があったとき、これを合成することで新しい力 \(F\) にできる。
新しくできた力を「合力」っていうぞ！
下の図のように、力 \(A\) と力 \(B\) を平行四辺形の2辺とすると、対角線が合力 \(F\) になる！
力の分解では、1つの力を別の2つの力に分けるんだ。
力 \(F\) があって、これを角度を持って切り分けた力 \(A\) と力 \(B\) に分けることができる。これがまさに力の分解だ！
分かれてできた新しい力をそれぞれ「分力」っていうぞ！
力 \(F\)を力 \(A\) と力 \(B\)に分解すると、 下の図のように2つの分力は力 \(F\)を対角線とする平行四辺形の2辺になるな！
おお！ここまでのポイントをまとめよう。
摩擦力とは、
物体が動くのを邪魔する力のこと
さ。
例えば、机の上に消しゴムを置いて指で押すと、すぐにはスッと動かず、「ちょっと抵抗」があるよな！
その抵抗こそが摩擦力だ！
この摩擦力が、消しゴムが勝手にすべったりすっ飛んだりしないように、動きを安定させているってわけさ！
消しゴムを押して動かすとき、押す力と反対向きに摩擦力が働いている。
押す力が強すぎると摩擦に勝って動き出すけど、ちょうど釣り合うときは、止まったままの状態になる。
つまり、押す力と摩擦力が釣り合っていると、動かずに静止しているんだ。
えっ、等速直線運動で、一定の速さで動いている時の摩擦力はどうなってるんだって？？
相変わらず鋭い質問だな。
等速直線運動をしているときも、 摩擦力がしっかり関係しているんだ。
たとえば、机の上で消しゴムを押してスーッと同じ速さで動かしているとき。
このとき、指で押す力（進む方向）と、摩擦力（逆向きの力）がちょうど釣り合っているんだ。
だから、消しゴムは加速も減速もせず、一定の速さでまっすぐ進み続けられるというわけ。
もし摩擦力が全くなかったら、押した瞬間にツルッとすべってぐんぐん加速して止まらなくなったり、逆に摩擦が大きすぎるとすぐ止まっちまうよ。
つまり、等速直線運動ができるのは、摩擦力が絶妙にバランスを取ってくれているおかげなのさ。
おっしゃ！ここで、摩擦力とは簡単に中学の内容をおさらいしよう！
ズバリいっちまうぞ。
垂直抗力っていうのは、
物体に下向きに働く重力とつり合う力
だ。
この力があるから物体は静止するってわけだな！
たとえば、キミが今、椅子に座っているとしよう。
このとき、キミの体には下向きに重力（体重）がかかっている。
でも、椅子がそのままつぶれたり、床にめり込んだりはしないよね。
その理由は、椅子が上向きに押し返す力（垂直抗力）を出しているからなんだ。
もし、垂直抗力がない世界だったとしたら、椅子に座って静止できないはずさ。
十中八九、めり込んじまうだろうな。
つまり──
この2つの力が大きさが等しく、向きが反対になっている。
これこそが「力のつり合い」の状態だ！
だからこそ、今も椅子の上にピタッと静止してこの記事を読めるんだな。
えっ、力のつり合いがピンとこない？？
そんなときは力のつり合いの記事で復習しておいてくれよな。
力のつり合いとはズバリ、
物体に働く力が互いに打ち消し合って、動かない状態
のことさ。
力が拮抗している状態だから、物体はピタッと止まってるんだよ。
ここでは力のつり合いが成り立つ条件を取り上げるぞ！
2つの力が働いている場合、その力のつり合いは以下の3つの条件で決まるんだ。
この条件が揃うと、2つの力はちょうどつり合って、物体は静止するんだ。
さて、ここからはどうやってこの条件を満たすか、体育祭の綱引きを使って見ていこう！
たとえば、左右のチームが同じ力でロープを引っ張っているとき、ロープは動かないよね。
実はこのとき、ロープにかかっている2つの力がつり合っているんだ！
このときの2つの力は、
の3条件をすべて満たしている。
つまり、どちらのチームも同じ力で引っ張り合っていると、ロープはピタッと止まったまま。
これがまさに力のつり合いの状態なんだ！
でもさ、もしここに突然、最強のマッチョが赤組に加勢したら……？
そう、赤組の引く力が一気に大きくなる！
力の大きさが左右で違ってしまうと、もう条件のひとつがくずれてしまう。
→ 2力の大きさが等しくない状態になる！
すると、ロープは赤組のほうへグッと動き出す。
このように、つり合いがくずれたとき、物体（ロープ）は動き始めるんだ。
自由落下ってのは、
物体が「重力だけで」垂直に落ちる運動のこと
だ。
空気が全くない世界の崖の上から、サッカーボールを下に落としたシーンを想像してくれよな。
自由落下の最も大事なポイントは、
他の力（風の抵抗とか）が働かないってこと！
物体はただ重力だけで加速し、だんだん速くなるんだ。
ここで質問だ！
みんなは大きい物と小さい物、どっちがさきに地面につくと思う？？
実は驚くなよ、
どっちも同時に地面に着くんだ！
ボーリングのクッソ重い球を落としても、卓球のピンポン球を落としても同時！
これはニュートンのおっちゃんが言ってたことで、物体の質量が違っても自由落下の速さには影響しないってことさ！
自由落下の速さが質量に関係しないのは、
重い物ほど強く引かれるけど、その分動きにくい
からさ。
重い物ほど、地球から受ける重力の力（＝重さ）は大きい。これはみんなのイメージ通りだ。
でもな、「動きにくさ」も質量に比例しちゃうんだぜ。
つまり、重いほど動きにくくなっちまう。地球から受ける力がでかいけどその分動きにくくなるから、プラマイゼロ。
重かろうが軽かろうが、同じ速さで物体は自由落下していくんだ。
えっ、現実世界で実験してみたら、ボーリング球がピンポン球に圧勝した？？
それはな、空気抵抗の影響があるからさ。
ボーリングの球は重いから重力の力が強くて、空気抵抗の影響が小さい。グングン加速していく。
一方、ピンポン球は軽すぎて、空気抵抗がすぐに重力とつり合っちまう。だから、それ以上スピードが出ず、ゆっくり落ちるんだな。
お前たち、「等速直線運動」って言葉、聞いたことあるか？
この運動は、
物体がまっすぐ同じ速さで進む運動
だ。
たとえば、ここに右方向に 毎秒 1m で進んでいる物体Aがあるとしよう。
この物体がいくら進んでも、右に同じ速さの毎秒 1m で進んでいる？？
それなら、この物体Aは等速直線運動してるってことさ。
なぜなら、同じ速度で同じ方向に運動しているからな。
えっ、そんなことあり得るのかって？？
じつは、摩擦がない平面ではあり得るな。
ツルツル滑滑の摩擦0のプレートの上で、力を受けずに物体が進んでいたら、一定の速さで直線上を進むはず。
ここで重要なのは、「速さが変わらない」ってことだ！
それじゃあ、みんなが気になっている等速直線運動の速さの求め方を見ていこう。
速さっていうのは、どれだけ早く移動するかってことだから、次の式で表されるんだ。
$$ v = \frac{d}{t} $$
例えば、10秒で50メートル進んだとしよう。
速さは、
$$ v = \frac{50}{10} = 5 $$
つまり、5m/sで等速直線運動してるってことだ！
等速直線運動だから、どれだけ時間が経過しても、5m/sっていう速度は変わらないんだぜ！
わかったか？実際に計算してみると簡単だろ？
等速直線運動の様子をもっとわかりやすくするために、強い味方がいるぜ。
それが「グラフ」だ！
等速直線運動の時間−距離グラフでは、いつも一定の傾きの直線になる。
傾きが速さを示しているぞ！
この傾きから速さが読み取れるから、グラフを使うとさらに理解が深まるはずさ！
