質量
の静止している物質に、 同じ方向に力
を加えつづけると、 物質は加速度運動を開始します。 力を加え始めてから
の微小時間後 に 物質は
の微小距離だけ移動していて、 その時の物質の速さが
であり、 運動量が
であり、運動エネルギーが
であったとします。 すると、 次の式たちが成り立ちます。
は 運動量原理、
は エネルギー原理 といわれます。
と
から、 次の式が成り立ちます。
は、 ニュートンの運動方程式 :
から導かれます。
の
は、 力積 を表しています。 正確には、 微小力積です。 力積は、 運動量の変化を表す物理量です。
の
は、 仕事 を表しています。 正確には、 微小仕事です。 仕事とは、 元来、 位置エネルギーを高めるために必要なエネルギーの量を表すものでしたが、 それ以外にも速度を増すための目的などがあり、 今日では、 「 相手の力学的エネルギーを増やすために、 自分が相手に渡すエネルギー量 」 と捉えられるようになりました。 仕事は、 力
距離 です。 もっと正確に言うならば、 力を距離で積分したものです。これから、 運動エネルギーが なぜ
なのか、 考えてみましょう。まず、 次のように置きます。

両辺を
で微分すると、 次のようになって、 運動量が出てきます。
さて、 さきほどの物質は
時間 の間に
の距離を移動しますが、 その間の微小仕事の総和を求めてみましょう。

この式に
を代入して、

この仕事は、 位置エネルギーの増加には関与せず、 すべて運動エネルギーの増加のためにされていますので、 上の式より、 運動エネルギーが
であることがわかります。運動量 も 運動エネルギー も、 どちらも運動のパワーをイメージさせますが、 運動のパワーを正確に表すのは、 運動エネルギーの方です。 では、 運動量は、 あまり意味のない物理量なのでしょうか? いいえ違います。 「 運動量保存の法則 」 というのがあり、 2つの物質の運動量のベクトル的な和は、 ずっと保たれますので、 2つの物質が衝突してそれぞれの持つ運動量が変化しても、 片方の運動量を観察すれば、 もう片方の運動量がわかるのです。 また、 運動エネルギーがスカラーなのに対して、 運動量はベクトルですから、 運動量は物質の運動方向の情報も持っているのです。 運動量も捨てたものではありません。
力学 へ戻る