エネルギーには、運動エネルギーと位置エネルギーの2つの主要な形式があります。運動エネルギーは物体または粒子の運動エネルギーであり、位置エネルギーは、オブジェクトまたは粒子の位置に関連するエネルギーです。
巨視的な物体の機械的プロセスに関連する運動エネルギーと位置エネルギーは、まとめて次のように呼ばれることがあります。力学的エネルギー熱的、化学的、原子的プロセスに関連するエネルギーの形態を除外します。
閉鎖系の総エネルギーが保存されることは、物理学の基本法則です。 これはと呼ばれますエネルギー保存の法則. つまり、エネルギーはあるオブジェクトから別のオブジェクトに形を変えたり移動したりする可能性がありますが、周囲から完全に隔離されたシステムでは、総量は常に一定に保たれます。
多くの入門的な物理問題の計算を単純化するために、摩擦やその他の問題がしばしば想定されます。 散逸力はごくわずかであり、その結果、閉鎖系の総力学的エネルギーは別々になります 保存されています。
摩擦が存在する場合、機械的エネルギーは熱および他のタイプのエネルギーに変換される可能性があり、熱エネルギーを機械的エネルギーに戻すことは困難な場合があります。 （そしてそれを完全に行うことは不可能です。）これが、機械的エネルギーが別個の保存量としてしばしば語られる理由ですが、繰り返しますが、それはない場合にのみ保存されます 摩擦。
エネルギーのSI単位はジュール（J）で、1ジュール= 1ニュートン×1メートルです。
位置エネルギーの種類
位置エネルギーとは、物体または粒子の位置または配置に起因するエネルギーです。 蓄積エネルギーと呼ばれることもありますが、運動エネルギーは移動中の物体内にまだ含まれているため、運動エネルギーも蓄積エネルギーと見なすことができるため、これは完全に正確ではありません。 位置エネルギーの主な種類は次のとおりです。
弾性ポテンシャルエネルギー、これは、ばねなどのオブジェクトの変形という形のエネルギーです。 ばねを平衡（静止）位置を超えて圧縮または伸ばすと、弾性ポテンシャルエネルギーが発生します。 このばねが解放されると、この弾性ポテンシャルエネルギーは運動エネルギーに変換されます。
ばねから吊り下げられた質量が引き伸ばされて解放される場合、弾性ポテンシャルエネルギーが次のようになると、質量は上下に振動します。 運動エネルギーは、その後、ポテンシャルなどに変換されます（機械的エネルギーの一部は、 摩擦。）
ばねに蓄えられる位置エネルギーの方程式は次の式で与えられます。
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
どこkはばね定数、Δxは平衡からの変位です。
重力ポテンシャルエネルギーは、重力場におけるオブジェクトの位置に起因するエネルギーです。 そのような場の物体が解放されると、それは加速し、その位置エネルギーは運動エネルギーに変換されます。
質量のある物体の重力ポテンシャルエネルギーm地球の表面近くは次のように与えられます：
PE_ {grav} = mgh
どこgは重力定数9.8m / sです。2、およびhは地上からの高さです。
重力ポテンシャルエネルギーと同様に、電位エネルギー電荷を持つ物体が電界内に配置された結果です。 この場で放出されると、落下する質量と同じように力線に沿って加速し、電位エネルギーが運動エネルギーに変換されます。
ポテンシャルエネルギーの式は点電荷ですq距離rポイントチャージからQによって与えられます：
PE_ {elec、\ text {} poiny \ text {} Charge} = \ frac {kqQ} {r}
どこkはクーロン定数8.99×10です。9 Nm2/ C2.
あなたはおそらくその用語に精通しているでしょう電圧、と呼ばれる量を指します電位. 電荷のポテンシャルエネルギーq電位（電圧、V）次のように：
PE_q = qV
化学ポテンシャルエネルギーは、化学結合と原子の配置に蓄えられたエネルギーです。 このエネルギーは、化学反応中に他の形に変換される可能性があります。 火はその一例です。火が燃えると、燃えている物質の化学結合の位置エネルギーが熱と放射エネルギーに変換されます。 あなたが食べ物を食べるとき、あなたの体のプロセスはあなたの体が生き続けるために必要なエネルギーに化学エネルギーを変換し、生きるすべての基本的なタスクを実行します。
核ポテンシャルエネルギーは原子核のエネルギーです。 原子核内の核子（陽子と中性子）が結合、分解、または （核融合、核分裂、崩壊のいずれかによって）一方から他方に変化する核ポテンシャルエネルギーは変換されるか、 リリースされました。
有名なE = mc2 方程式はエネルギーの量を表し、E、質量の観点からそのようなプロセス中に放出されたmと光速c. 原子核は崩壊または核融合後の総質量が低くなる可能性があり、この質量差は直接 放射や放射などの他の形式に変換される核の位置エネルギーの量に変換されます 熱の。
運動エネルギーの種類
運動エネルギーは運動のエネルギーです。 位置エネルギーを持つ物体は動く可能性がありますが、運動エネルギーを持つ物体は動きます。 運動エネルギーの主な種類は次のとおりです。
機械的運動エネルギー、これは巨視的な質量の物体の運動エネルギーですm速度で動くv. それは次の式で与えられます：
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
チップ
重力によって落下する物体の場合、機械的エネルギーの保存により、標準の一定加速度の運動方程式を使用せずに、落下する物体の速度を決定できます。 物体が落下し始める前に、単純に総力学的エネルギーを決定します（mgh）、そしてそれがどんな高さであっても、位置エネルギーの差は1 / 2mvに等しくなければなりません2. 運動エネルギーがわかれば、次のように解くことができます。v.
熱エネルギーは、熱エネルギーとも呼ばれ、物質内の分子が振動した結果です。 分子が速く動き回るほど、熱エネルギーが大きくなり、物体が熱くなります。 動きが遅いほど、オブジェクトは冷たくなります。 すべてのモーションが停止する限界では、オブジェクトの温度はケルビン単位で絶対零度です。
温度は、分子あたりの平均並進運動エネルギーの尺度です。 理想的な単原子ガスの熱エネルギーは、次の式で与えられます。
E_ {thermal} = \ frac {3} {2} Nk_BT
どこNは原子の数です。Tはケルビンの温度であり、kBはボルツマン定数1.381×10です。-23 J / K。
表面的には、これは機械的な運動エネルギーと同じようなものとして理解することができます。 これは、オブジェクト（この場合は分子）が特定の速度で物理的に移動した結果です。 しかし、この動きはすべて、より大きな物体内で微視的なスケールで起こっているので、それを扱うことは理にかなっています 異なって–特に内部のそれぞれの異なる分子の動きを説明することが不可能であるため 何か！
このエネルギーはそうではないので、これを機械的運動エネルギーと混同することは意味がないことにも注意してください ボールが空中に投げられる運動エネルギーと同じように、位置エネルギーに変換されるだけです。 です。
波力エネルギーそして音波動に関連するエネルギーである、追加のタイプの運動エネルギーを形成します。 波の場合、外乱は媒体を通過します。 その媒体内の任意の点は、波が通過するときに所定の位置で振動します–運動の方向に合わせて（a縦波）またはそれに垂直（a横波）、弦の波で見られるような。
媒体内のポイントが所定の位置で振動している間、外乱自体はある場所から別の場所に移動します。 これは、物理的な物質が移動した結果であるため、運動エネルギーの一形態です。
波に関連するエネルギーは、通常、波の振幅の2乗に正比例します。 ただし、正確な関係は、波の種類と波が通過する媒体によって異なります。
波の一種は縦波である音波です。 つまり、これは、最も一般的には空気または別の材料での圧縮（媒体が圧縮されている領域）および希薄化（媒体があまり圧縮されていない領域）から生じます。
放射エネルギー波力エネルギーに関連していますが、まったく同じではありません。 これは電磁放射の形のエネルギーです。 可視光線に最も精通しているかもしれませんが、このエネルギーには、電波、マイクロ波、赤外線、紫外線、X線、ガンマ線など、私たちにも見えない種類があります。 それは光子、つまり光の粒子によって運ばれるエネルギーです。 光子は粒子/波動の二重性を示すと言われています。つまり、光子は波と粒子の両方のように機能します。
放射エネルギーは、非常に重要な点で通常の波とは異なります。通過する媒体を必要としません。 このため、それは宇宙の真空の中を移動することができます。 すべての電磁放射は、真空中を光速（宇宙で最も速い速度！）で移動します。
光子には質量がないため、機械的な運動エネルギー方程式を使用して、関連する運動エネルギーを決定することはできません。 代わりに、電磁放射に関連するエネルギーはE = hfで与えられます。ここで、f頻度であり、hプランク定数6.626×10-34 Js。
電気エネルギー：移動する電荷に関連する運動エネルギーは、同じ機械的運動エネルギー1 / 2mvです。2; ただし、移動する電荷も磁場を生成します。 その磁場は、重力や電場と同じように、磁石や別の移動電荷など、それを「感じる」ことができるものすべてに位置エネルギーを与える能力があります。
エネルギー変換
閉鎖系の総エネルギーは節約されます。 つまり、システム内のオブジェクト間で転送されたり、フォームやタイプが変更されたりしても、すべてのフォームの合計金額は一定のままです。
この典型的な例は、空中に投げられたボールの運動エネルギー、ポテンシャルエネルギー、および総エネルギーに何が起こるかです。 0.5kgのボールが20m / sの初速度で地面から上向きに発射されたとします。 次の運動学的方程式を使用して、ボールの移動の1秒ごとの高さと速度を決定できます。
v_f = v_i + at = 20 \ text {m / s} -gt \\ y_f = y_i + v_it + \ frac {1} {2} at ^ 2 =（20 \ text {m / s}）t- \ frac { g} {2} t ^ 2
概算するとg10 m / sとして2、次の表に示す結果が得られます。
それでは、エネルギーの観点から見てみましょう。 移動の1秒ごとに、次を使用して位置エネルギーを計算できます。mgh1 / 2mvを使用した運動エネルギー2. 総エネルギーは2つの合計です。 ポテンシャル、運動エネルギー、総エネルギーの列をテーブルに追加すると、次のようになります。
•••na
ご覧のとおり、パスの開始時には、ボールのエネルギーはすべて運動エネルギーです。 上昇すると、速度が低下し、高さが増加し、運動エネルギーが位置エネルギーに変換されます。 それが最高点にあるとき、最初の動力学のすべてがポテンシャルに変わり、そしてそれが下がるにつれてプロセスはそれ自身を逆転させます。 パス全体を通して、総エネルギーは一定のままでした。
私たちの例に摩擦やその他の散逸力が含まれている場合、総エネルギーは保存されますが、総機械エネルギーは保存されません。 総機械的エネルギーは、総エネルギーと、熱エネルギーや音響エネルギーなどの他のタイプに変換されたエネルギーとの差に等しくなります。