運動エネルギーとは何かがわかる10例

運動エネルギーは、動いた時のエネルギーです。何かが動いた時、それを運動エネルギーと呼びます。古典力学では、循環していない物の運動エネルギー(E)は、その質量(m)と速さ(v)で決まります。

 

E = ½mv2

 

エネルギーはスカラ量なので、方向がなく、いつでも見れます。量が２倍になると、エネルギーは2倍になります。しかし、速さが2倍になれば、エネルギーは4倍になります。

 

 

運動エネルギーは、動作のタイプで3種類に分類されます。

 

 

⒈解析力学における運動エネルギー：物が移動する時のエネルギー。例えば、動いている電車や、重力で落ちる物は解析力学の運動エネルギーが働いています。

 

⒉回転運動の運動エネルギー: 回転する時のエネルギー。地球の自転が一番いい例です。

 

⒊質点の運動エネルギー:振動によるエネルギー。例えば、フォークを叩いた時に出る音が、質点の運動エネルギーです。

 

エネルギーの単位はジュールですが、運動エネルギーの単位はフットポンドです。これは、対象物を変えたり、エネルギーの種類を変換する事ができます。

 

 

例えば、ランナーは科学的なエネルギー(食べ物から取った)を自分自身に使います。この場合、科学的エネルギーは、動くエネルギーに変わっています。これがいわゆる運動エネルギーです。しかし、多くのエネルギーが熱になってしまい、効率的でありません。

 

 

運動エネルギーは、主に次の5つの要因から起こります。機械、電気、熱、光、音です。わかりやすく説明する為に、毎日の生活で起こる運動エネルギーの最も基本的な例をいくつか集めてみました。

 

 

 

 

 

1. 乗り物に乗って移動する

 

 

引用先: GIPHY

 

 

機械的エネルギーの形

 

運動エネルギーは、体が動く事で発生するエネルギーです。この定義では、全ての動いている乗り物は、それぞれエネルギーを持っています。

 

質量と速さが大きくなれば、運動エネルギーも大きくなります。四輪車は二輪車より運動エネルギーが大きいです。(同じスピードで動いたとしても、四輪車の方が大きいので)

 

 

同様に、飛んでいるジェット戦闘機や宇宙船 ( 国際宇宙ステーション のサテライトシステムなど) も運動エネルギーが大きいです。

 

 

 

 

 

 

2. サイクリング

 

 

 

機械的エネルギーの形

 

 

サイクリングは運動エネルギーの一つです。自転車に乗っている人は、まず初めに自分の身体に食べ物で科学的エネルギーを入れます。自転車のペダルを漕ぐ事で、科学的エネルギーが運動エネルギーに変わります。

 

しかし、このエネルギーの変換は効率的ではありません。自転車に乗っている人は、熱を出す為と摩擦と空気に対抗する為にも多くの科学的エネルギーを使っています。

 

 

 

 

 

 

3. 携帯を床に落とす

 

 

機械的エネルギーの形

 

 

携帯が落ちる時、何がおきていますか? 重力が働いて、それによって速度が早くなり、運動量が大きくなります。

 

 

落ちるものは全て、空気抵抗と重力が同じになるまで、落ちる速度が加速し続けます。しかしこの場合、空気抵抗は重力よりかなり小さいので、考えなくてもいいです。

 

 

まず初めに、携帯は一番高い位置に一番多くのエネルギーがあります。落ちる時に、このエネルギーが運動エネルギーに変わります。携帯が持っているエネルギーが大きければ、 運動エネルギーも大きくなります。

 

 

携帯が床についた時、運動エネルギーは音を鳴らし、バウンドさせ、壊すか変形させます。

 

 

 

 

 

 

4. 銃から発射される弾丸

 

 

機械的エネルギーの形

 

 

飛んでいる弾丸には、非常に大きい運動エネルギーがあります。これは初活力とも呼ばれます。外部の要因（例えば重力や空気力学）以外では、初活力は銃口やカートリッジから生まれます。

 

銃弾の動きが速いか銃弾が重いと、その分運動エネルギーが大きくなります。そして、より大きいダメージを与える事ができます。

 

 

 

 

 

 

5. 雷雨の間の稲妻

 

 

電気のエネルギーの形

 

電気のエネルギーは運動エネルギーの一つで、負の電極に流れる電子の流れです。エネルギーの量は、電子の速度に比例します。速度が速ければ、エネルギー量が大きくなります。電子の動きとは、電気装置を動かす事です。

 

 

雷雨の間の稲妻は、電気エネルギーの一つです。私たちが実際に見えているものは、雲の中で静電気が起こり、電子が放出されている状態です。稲妻が空気を温め、稲光を起こし、雷を起こします。

 

 

 

 

 

 

6. 自動車のバッテリーから出される電気

 

 

電気的エネルギーの形

 

車のバッテリーは、化学的エネルギーを機械的エネルギーに変換します。電子が陽極と陰極の間を動く事で、バッテリーから化学的エネルギーが生まれます。これらの電子は、車の電気回路に流れます。

 

 

バッテリーを充電する事で、電子の流れが逆になります。(陰から陽へ). さらに、これらの充電式バッテリーは破裂しないようになっていて、急速充電できるようになっています。

 

 

 

 

 

 

7. ステレオスピーカーの振動

 

音のエネルギーの形

 

音は、媒体(例えば水や空気)が動く事で発生するエネルギーです。音のエネルギーは、波で動き、私達の鼓膜が振動し、それを私達は音として認識します。

 

 

ステレオスピーカー (何かしら音を出すもの)も同じ仕組みです。スピーカーの音量をあげ、手をかざすと振動を感じます。この時、スピーカーは前後に動き、空気の分子を動かし、気圧を音の波に変えています。

 

 

もう一つのわかりやすい例は、ドラムです。ドラムを叩くと、表面が振動して音が鳴ります。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

光のエネルギーの形

 

白熱電球と呼ばれる従来の電球は、電流が2つの金属接媒の間を移動します。これはワイヤーとタングステンフィラメントを通して電流が流れ、光が放射される所が熱を発します。

 

 

電球は、光を出す時、同時に熱が出てきます。例えば60ワットの白熱電球は、1秒間に60ジュールの電気エネルギーを光と熱に変えます。これはどちらも放射エネルギーです。

 

放射エネルギーは、分子や波が移動するエネルギーです。 これは、電磁波から発生し、通常熱を持っています。

 

 

 

 

 

 

9. 高速のラジオ波

 

無線信号を発している塔

 

放射エネルギーの形

 

ラジオ波も、波動で動きます。通常3 kHz から300 GHzで、100キロメートルか1ミリメートルの範囲で動きます。 他の電磁波と同様、ラジオ波も光速で動きます。ラジオ局は、このラジオ波を使って、広範囲に聞こえるようにしています。

 

 

放射エネルギーのもう一つの例は、太陽の光です。陽の光が暖かいと感じるのは、このせいです。

 

 

 

 

 

 

 

 

10. お湯を沸騰させる

 

 

熱エネルギーの形

 

放射エネルギーと同様、熱エネルギーは温めたり熱を持ったりします。しかし、大きな違いがあります。 放射エネルギーは分子の流れや波であり、熱エネルギーは分子と原子の間の動きです。

 

原子と分子が早く動いてぶつかり合うと、熱エネルギーが生まれます。なので、熱エネルギーは動的エネルギーの一つと言えます。

 

 

お湯の沸騰は、目に見える熱エネルギーの一例です。水が熱を持つと、分子の動きが活発になります。そして、それは沸点に達するまで動き続けます。

 

 

火山の爆発や天然鉱物の腐敗による地熱エネルギーも運動エネルギーです。