エネルギー保存則を理解する

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エネルギー保存則の定義
エネルギー保存則とは、エネルギーは新たに生まれたり完全に消えたりすることはなく、運動エネルギー・位置エネルギー・熱エネルギー・電気エネルギーなど別の形態に変わるだけで、その総量は常に一定に保たれるという物理学の基本原理です。
振り子におけるエネルギー転換
振り子は最も高い地点では速度が0になり位置エネルギーが最大となり、最も低い地点を通過するときは速度が最大になり運動エネルギーが最大になります。空気抵抗や摩擦がないと仮定すると、2つの地点を行き来するたびに位置エネルギーと運動エネルギーが互いに形を変えるだけで、両者を足した力学的エネルギーの総和は常に同じです。
ジェットコースターにおけるエネルギー転換
ジェットコースターは最も高い最初の丘で位置エネルギーを最大に蓄え、下降するにつれてその位置エネルギーが運動エネルギーに変わり速度が速くなります。そのため遊園地の設計者は、以降の丘を最初の丘より低く作り、車両が残ったエネルギーだけで次の区間を越えられるように設計します。
熱力学第1法則との関係
熱力学第1法則は、エネルギー保存則を熱と仕事の観点から表したもので、ある系に加えられた熱エネルギーは系の内部エネルギーを高めるか外部に仕事をするために使われ、その総量は保存されるという内容です。つまりエネルギー保存則は、力学だけでなく熱、化学、電気などすべての形態のエネルギーに共通して適用される、より広い原理です。
永久機関が不可能な理由
外部からのエネルギー供給なしに自ら永遠に動き続け仕事をし続ける永久機関は、エネルギー保存則(および摩擦による熱力学第2法則)に反するため作ることができません。すべての実際の機械は摩擦や空気抵抗などで一部のエネルギーが結局熱として散逸し失われるため、外部からエネルギーを供給し続けなければ運動は次第に止まっていきます。
エネルギーのさまざまな形態
エネルギーは運動エネルギー、位置エネルギーのほかにも、熱エネルギー、化学エネルギー(食べ物や燃料に蓄えられる)、電気エネルギー、光エネルギー、核エネルギーなど多様な形態で存在します。例えば自動車は燃料の化学エネルギーを燃焼によって熱エネルギーに、さらにエンジンを経て運動エネルギーへと順次変換して使用します。

エネルギー保存則はなぜ物理学の核心原理なのでしょうか

エネルギー保存則は、力学、熱力学、電磁気学、化学など物理学と化学のほとんどすべての分野を貫く最も基本的な原理の一つです。ある現象を分析する際、「エネルギーがどこからどこへ移動したのか」を調べるだけでも多くの現象を説明できます。

エネルギーが作り出す運動の原理もあわせて確認してみましょう

エネルギーが転換して作り出す実際の運動は、力と加速度の関係でも説明できます。ニュートン運動法則3つを理解するで、力と運動の関係を確認してみてください。

よくある質問

エネルギーが消えたように見える場合はなぜそうなるのですか?

摩擦や空気抵抗で運動エネルギーが減ったように見えても、そのエネルギーは消えたのではなく、熱エネルギーや音エネルギーなど目立たない形態に変わっただけです。全体のエネルギーの総量は常に保存されます。

核分裂や核融合もエネルギー保存則に従いますか?

はい、ただしこの場合は質量の一部がアインシュタインの質量エネルギー等価原理(E=mc²)に従ってエネルギーに直接転換されるため、質量とエネルギーを合わせた総量が保存されると見る方がより正確です。