ばねの位置エネルギー：定義、方程式、単位（例付き）

空中を飛んでいる矢を送る張り詰めた弦から、びっくり箱をクランキングしている子供まで それが非常に速く飛び出すのに十分で、それが起こっているのをほとんど見ることができません、春の位置エネルギーはすべてです 私たちの周り。

アーチェリーでは、射手は弦を引き戻し、平衡位置から引き離し、自分の筋肉から弦にエネルギーを伝達します。この蓄積されたエネルギーは、ばねの位置エネルギー（または弾性ポテンシャルエネルギー). 弦が解放されると、これは矢印の運動エネルギーとして解放されます。

ばねの位置エネルギーの概念は、 エネルギー、そしてそれについてもっと学ぶことはあなたにびっくり箱と矢以上のものへの洞察を与えます。

ばねの位置エネルギーは、重力ポテンシャルエネルギーや電気ポテンシャルエネルギーによく似た蓄積エネルギーの形式ですが、ばねと弾性オブジェクト。

誰かがもう一方の端を引き下げて、天井から垂直にぶら下がっているバネを想像してみてください。 これにより蓄積されたエネルギーは、弦がどれだけ下に引っ張られたか、そしてその特定のばねが外力の下でどのように反応するかを知っていれば、正確に定量化できます。

より正確には、ばねの位置エネルギーはその距離に依存します。バツ、それがその「平衡位置」（外力がない場合に静止する位置）、およびそのばね定数から移動したこと、k、これは、ばねを1メートル伸ばすのに必要な力を示します。 このため、kニュートン/メートルの単位があります。

ばね定数はフックの法則にあります。フックの法則は、ばねを伸ばすのに必要な力を表します。バツ平衡位置から数メートル、または同様に、次の場合はばねとは反対の力。

負の符号は、ばね力が復元力であり、ばねを平衡位置に戻すように作用することを示しています。 ばねの位置エネルギーの方程式は非常に似ており、同じ2つの量が含まれます。

ばねの位置エネルギーPE​_春 次の式を使用して計算されます。

ばねポテンシャルはエネルギーの一形態であるため、結果はジュール（J）単位の値になります。

理想的なばね（摩擦がなく、感知できるほどの質量がないと想定されるばね）では、これは、ばねを伸ばす際に行った作業量と同じです。 この方程式は、運動エネルギーと回転エネルギーの方程式と同じ基本形式で、次のようになります。

ばねの伸び（または圧縮）によって引き起こされる変位がわかっている場合、ばねポテンシャルの計算は簡単です。バツ問題のばねのばね定数。 単純な問題として、定数を持つばねを想像してくださいk= 300 N / mが0.3m延長されます：結果としてばねに蓄えられる位置エネルギーは何ですか？

この問題には位置エネルギー方程式が関係しており、知っておく必要のある2つの値が与えられます。 値をプラグインする必要がありますk= 300 N / mおよびバツ= 0.3 mで答えを見つけます：

より困難な問題については、射手が矢を発射する準備をしている弓の弦を引き戻すことを想像してください。 平衡位置から0.5mまで戻し、最大300の力で弦を引っ張ります。 N。

ここで、あなたは力を与えられますFと変位バツ、ただしばね定数ではありません。 このような問題にどのように取り組んでいますか？ 幸いなことに、フックの法則は、F​, ​バツと定数k、したがって、次の形式で方程式を使用できます。

前と同じように位置エネルギーを計算する前に定数の値を見つけること。 しかし、kが弾性ポテンシャルエネルギー方程式に現れる場合、この式をそれに代入して、単一のステップで結果を計算できます。

したがって、完全にぴんと張った弓には75Jのエネルギーがあります。 次に、矢印の最大速度を計算する必要があり、その質量がわかっている場合は、運動エネルギー方程式を使用してエネルギー保存を適用することでこれを行うことができます。