第7章仕事と運動エネルギー
Introductionはじめに
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Figure 7.1図 7.1
A sprinter exerts her maximum power with the greatest force in the short time her foot is in contact with the ground. This adds to her kinetic energy, preventing her from slowing down during the race. Pushing back hard on the track generates a reaction force that propels the sprinter forward to win at the finish. (credit: modification of work by Marie-Lan Nguyen)
英語のヒント
短距離走者は、足が地面に触れる短い時間に最大の力を加え、最大の仕事率を発揮する。運動エネルギーが増すことで、レース中の減速を防ぐ。トラックを強く後ろへ押すと反作用が生じ、走者を前へ進ませ、ゴールでの勝利につながる。(出典:Marie-Lan Nguyenの作品を改変)
In this chapter, we discuss some basic physical concepts involved in every physical motion in the universe, going beyond the concepts of force and change in motion, which we discussed in Motion in Two and Three Dimensions and Newton’s Laws of Motion. These concepts are work, kinetic energy, and power. We explain how these quantities are related to one another, which will lead us to a fundamental relationship called the work-energy theorem. In the next chapter, we generalize this idea to the broader principle of conservation of energy.
英語のヒント
この章では、「二次元と三次元の運動」と「ニュートンの運動の法則」で扱った力と運動の変化から先へ進み、宇宙のあらゆる運動に関わる基本概念を考える。仕事、運動エネルギー、仕事率である。これらの量がどう結び付くかを説明し、仕事とエネルギーの定理という基本的な関係を導く。次の章では、これをさらに広いエネルギー保存の原理へ一般化する。
The application of Newton’s laws usually requires solving differential equations that relate the forces acting on an object to the accelerations they produce. Often, an analytic solution is intractable or impossible, requiring lengthy numerical solutions or simulations to get approximate results. In such situations, more general relations, like the work-energy theorem (or the conservation of energy), can still provide useful answers to many questions and require a more modest amount of mathematical calculation. In particular, you will see how the work-energy theorem is useful in relating the speeds of a particle, at different points along its trajectory, to the forces acting on it, even when the trajectory is otherwise too complicated to deal with. Thus, some aspects of motion can be addressed with fewer equations and without vector decompositions.
英語のヒント
ニュートンの法則を適用するには通常、物体に働く力と、それが生む加速度を結ぶ微分方程式を解く必要がある。解析的に解くことが困難、あるいは不可能な場合も多く、近似値を得るために長い数値計算やシミュレーションが必要になる。そんなときも、仕事とエネルギーの定理やエネルギー保存のような一般的な関係を使えば、数学的計算を抑えながら多くの問いに有用な答えを得られる。特に仕事とエネルギーの定理は、粒子の軌道上の異なる点での速さと、働く力とを結び付けるのに役立つ。軌道が複雑すぎてほかの方法では扱いにくくても使える。こうして運動の一部の側面は、少ない式で、ベクトルの分解をせずに扱える。