弾性エネルギーとは、ばねやゴムなどの弾性をもつ物体に蓄積されるエネルギーのことです。この概念には、力学を学ぶと必ず出会うでしょう。弾性エネルギーという言葉は中学校や高校の理科の授業でも登場する有名なものだから、知っておいて損をすることはないはずです。ぜひこの機会に弾性エネルギーについて学んでみてくれ。
塾講師として物理を高校生に教えていた経験もある通りすがりのぺんぎん船長と一緒に解説していきます。
ライター／通りすがりのペンギン船長
現役理系大学生。環境工学、エネルギー工学を専攻しており、物理学も幅広く勉強している。塾講師として物理を高校生に教えていた経験から、物理の学習において、つまずきやすい点や勘違いしやすい点も熟知している。
まずは弾性力について理解を深めよう！
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今回の記事では、弾性エネルギーについて詳しく説明していきます。ですが、弾性エネルギーについて理解を深めるためには、そのエネルギーの源になっている弾性力について知識が不可欠になるのです。
そこで、記事の前半部分では弾性力について述べることにしました。中学校で学習するような基本的な内容から解説をはじめるので、力学が苦手な方もぜひ記事を読んでみてくださいね。それでは早速、解説をはじめていきます。
弾性力とは？
弾性力を一言で表すと、「変形させると元の形に戻ろうとする力」と言えます。例えば、ばねを変形させたときに作用する力は弾性力です。
ばねを指で押し縮めると、それに反発するように押し返す力が作用します。この押し返す力が弾性力です。また、ばねを左右に指で引っ張ると、内側に向けて縮もうとする力が作用します。この力も弾性力ですよ。
では、弾性力に該当しない力にはどのようなものがあるでしょうか。重力は弾性力に含まれません。重力は物体の変形度合いにかかわらず、常に同じ大きさで作用するからです。また、粘土のように一度変形させたら、もとの形にひとりでに戻らないような物体においても弾性力は作用しません。以上のような判断基準によって、弾性力と他の力を区別することができます。
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弾性力の式
弾性力の規則性は「フックの法則」で表現されます。弾性力の式と聞けば、フックの法則を連想できるようにしておきましょう。弾性力をF、ばね係数をk、ばねの伸びをxとすると、フックの法則はF=kxで表されますよ。
この式から、ばねを伸ばせば伸ばすほど、弾性力が大きくなることがわかります。また、ばね係数が大きいほど、弾性力が大きくなることもわかりますよね。このことは、ばね係数がばねの強さを表す指標になることを意味しますよ。
また、ばねを押し縮める場合にはxは負の値になり、そのときFも負の値になるのです。このことから、ばねを押し縮めたときと引っ張ったときで弾性力の作用する方向が逆になることが読み取れます。
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