【力学】力(N)、圧力(Pa)、エネルギー・仕事・熱(J)の単位について整理してみた

未分類

力・圧力・エネルギー・仕事・熱の単位がややこしすぎるので整理してました。いずれも「質量:kg」と「距離:m」と「時間:s」の組み合わせです。

はじめに、速度と加速度について

まず、前提として物体は何も力が加わらなければ速度が変化しません。これを慣性といったりします。

つまり、静止している物体はそのまま静止していますし、ある速度で動いている物体は全く同じ速度で動き続けます。

動いている物体は力がかからないと止まるのでは?と思われるかもしれませんが、それは地球上では空気抵抗や摩擦によって進行方向とは逆向きの力がかかているから速度が変化(減少)して止まるのです。

・ 速度の単位は「m/s」です。1秒あたりに何m進むかということです。

・ 加速度とは1秒あたりに速度がどれだけ変化するかということで、単位は「(m/s)/s = m/s^2」となります。

力とは

力学における力とは物体の速度を変化させる作用です。

そして、その程度を表すのが力の単位、N(ニュートン)です。

1Nは1㎏の物体を速度を1秒あたり1m/s変化させることを表しています。

つまり、N = kg・(m/s) / s = kg・m・s^-2 となります。

圧力とは

圧力とは、ある面積にかかっている力を表しています。

そして、単位、Pa(パスカル)です。

1Paは面積1m^2あたりにかかっている力(N)を表しています。

つまり、Pa = N / m^2 = kg・m・s^-2 / m^2 = kg・m^-1・s^-2 となります。

エネルギー・仕事・熱とは

まず、仕事とはある物体に力を及ぼしてその方向に動かすことをいいます。

エネルギーとはこの仕事をし得る量(可能性・ポテンシャル)を表し、単位は J(ジュール)です。

1Jは1Nの力で物体をその方向に1m動かせるエネルギーを表しています。

つまり、J = N・m = kg・m・s^-2・m = kg・m^2・s^-2 となります。

今回は単位の説明だけですが、もう少しイメージを掘り下げる記事も書く予定です。

※これより先、少し範囲を出ますが熱についても触れます。

J(ジュール)は熱にも使われることを知っている方も多いと思います。熱とは気体や物体を構成する分子の振動のことです。温度が高い物体は、構成する分子のひとつひとつがより激しく振動しています。力学(簡単にいうと人間から見てある程度の大きさの物体が動いたか動いてないかを見る学問)においては物体の熱は考えません。現実世界では、物体が動くときの摩擦や気体の圧縮などで、物体の温度が変化しています。つまりある程度の大きさを持った物体による目に見える動き(仕事によって語られる領域)が気体分子の運動や物体を構成する分子の目に見えない微小でランダムな動き(熱によって語られる領域)に移動しているわけです。どちらも何らかの存在が動いていることに変わりはありませんし、これらは同じ次元の単位で取り扱うことができます。(熱力学という分野です。)

まとめ

今回は、ひとまず力学のややこしい単位についてまとめました。この先は、実際にこれらの単位をどう結び付けて使い、考えていくべきなのかについて書ければと思っています。

※内容や表現方法に誤りや誤解を生む可能性がありましたらご指摘いただけますと幸いです。

コメント

タイトルとURLをコピーしました