万有引力による位置エネルギーと仕事

人工衛星をドラッグして動かし、万有引力による位置エネルギーの変化と仕事の関係を観察しましょう。衛星を動かす前に「はじめの位置」の点線をドラッグすると、はじめの距離を変えられます。

$$U_{\text{はじめ}} - W_{\text{万有引力}} = U_{\text{あと}}$$
0.0 GJ - 0.0 GJ = 0.0 GJ
(はじめの位置エネルギー) $-$ (万有引力がした仕事) $=$ (あとの位置エネルギー)
はじめの位置エネルギー
($U_{\text{はじめ}} = -G\frac{Mm}{r_{\text{はじめ}}}$):
0.0 GJ
あとの位置エネルギー
($U_{\text{あと}} = -G\frac{Mm}{r}$):
0.0 GJ
万有引力がした仕事
($W_{\text{万有引力}}$):
0.0 GJ
現在の中心距離
($r$,中心から):
0 km
定数
($G M m$):
3.99×10⁵ GJ·km

※ 万有引力による位置エネルギーの基準面($U = 0$)を、無限遠($r = \infty$)としています。そのため位置エネルギーは常に負(マイナス)の値となります。

万有引力は、2つの物体の質量 $M, m$ に比例し、中心距離 $r$ の2乗に反比例する引力です($F = G \frac{Mm}{r^2}$)。物体が移動するとき、引力と同じ向き(地球に近づく向き)に動くと万有引力は正(プラス)の仕事を、逆向き(地球から遠ざかる向き)に動くと負(マイナス)の仕事をします。

万有引力がした仕事 $W_{\text{万有引力}}$ と位置エネルギーの関係は、 $$U_{\text{はじめ}} - W_{\text{万有引力}} = U_{\text{あと}}$$ と表されます。また、外力がした仕事 $W_{\text{外力}}$ と位置エネルギーの関係は、 $$U_{\text{はじめ}} + W_{\text{外力}} = U_{\text{あと}}$$ と表されます。

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