仕事

今回からエネルギーの分野に入ります!

今回はその前段階ということで,力のする仕事についてです。

仕事という単語は,物理をやっていると力学に限らず,いろんなところに登場します。

なので,言葉の意味をあやふやにしたまま進んでしまうと,他の分野にも支障をきたしてしまいます。

最初の段階でしっかりと意味を確認しておきましょう!!

 

 

物理における「仕事」とは

「仕事」という言葉は普段いろいろな意味で用いられますが,物理において,「仕事をする」とは,「力を加えて物体を移動させること」を意味します。

すごくシンプルですよね (⌒▽⌒)

 

物理の授業や教科書で「仕事」という単語はこの意味でしか使われていませんので,勝手な解釈を入れないようにしましょう。

 

そして,仕事の量は,「力の大きさ × 移動距離」で計算できます。

仕事の単位には,J(ジュール)を用います。

さて,この仕事の説明はかなりざっくりしているので,よくあるパターンをいくつか,例題を交えながら説明しましょう。

 

 

① 力と物体の移動方向が一致している場合

まずは基本となるパターンから。

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図のように,右向きに力を加えて,物体も右向きに動いた場合は最初に書いたとおり,「力の大きさ × 移動距離」で,この力のした仕事が計算されます。

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簡単ですね♪

 

②力と物体の移動方向が反対の場合 

①では,物体に力を加え,それが原因となって物体が動いていましたが,実は,物体を動かす原因以外の力でも仕事は計算できます。

たとえば,①の問題で床との間に摩擦があるとしましょう。 

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この動摩擦力は,物体を動かしているわけではなく,むしろ邪魔しているわけですが,ちゃんと仕事が計算できます。

計算式は変わらず「加えた力 × 移動距離」ですが,物体の移動と逆向きの力の場合は,答えにマイナスをつけてください。 

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仕事には,「正の仕事」と「負の仕事」があって,その力が物体を動かすのに貢献していれば正の仕事,邪魔をしていれば負の仕事,と考えてください。

 

③ 力と物体の移動方向が垂直な場合 

最後に垂直な場合です。

先ほどの例だと,重力や垂直抗力が移動方向に対して垂直です。 

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仕事が一番簡単に求められるのは,この垂直な場合です。

なぜなら,移動方向と垂直な力のする仕事は0だからです!!

力が何Nでも,移動距離が何mであっても0です。

②のところで,力が物体を動かすのに貢献していれば正の仕事,邪魔をしていれば負の仕事,と書きましたが,垂直な力は,物体の動きに貢献も邪魔もしていませんよね?

だから0となるのです。 

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注意点 

仕事に関して,いくつか注意しておきます。

 

まず1つ目。

物体に力を加えても,物体が動かなければ仕事は0です。

(仕事 = 力 × 移動距離なので,移動距離が0なら仕事も0。)

日常生活では「がんばって仕事をした」とよく言いますが,物理の世界では,いくらがんばっても動かなければ仕事をしたことにはならないのです。(シビアな世界!)

 

2つ目。 

以下の解答は間違っています。どこが間違いなのか考えてみてください。

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「物体に力を加えて移動させたとき,仕事が計算できる」のですが,これにはひとつ条件があります。

それは,「移動している間,ずっとその力が加わっていること」です。

上の図では,確かに力を加えて物体を動かしていますが,その力が加わっているのは最初の一瞬で,物体はその勢いで動いただけです。

このような場合,ハンマーは仕事をしたとは言いません!!

なので,仕事の計算そのものができない,というのが正解です。

 

3つ目。

これは細かい話なので,理系に進まない人はスルーして構いません。

物理をやる上で,ベクトル量とスカラー量の区別は重要ですが,仕事はベクトル量ではなくスカラー量です!!

(ベクトル量とスカラー量の説明は別に機会に書きます)

スカラー量ということは向きがありません。

ということは,②のところで「負の仕事」が出てきましたが,このマイナスは「逆向き」を表すマイナスではなく,「0より小さい」ことを表すマイナスということになります。 

仕事は,移動方向や力の向きの話と合わせて出てくるので,「仕事にも向きがあるのかな?」と勘違いする人が多いです。

気をつけましょう!

 

今回のまとめノート

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次回予告

仕事の話はまだ続きます。

道具を使って仕事をするメリットについて考えてみましょう。 

www.yukimura-physics.com