Question

kakko_pn

物理の質問です。
教科書に、「弾性衝突では、力学的エネルギーが保存され、非弾性衝突では力学的エネルギーは減少する。非弾性衝突で失われた力学的エネルギーは、熱の発生や物体の変形などに使われる。」との記述がありました。
では、弾性衝突では熱は発生せず、物体は変形しないのでしょうか？確かに力学的エネルギーが保存されると考えれば、熱は発生せず、物体は変形しないと考えるのは納得しますが、力学的エネルギーを考えずに衝突だけを考えると、「熱は発生せず、物体は変形しない」と言うのは直感的に納得できません。なぜ、完全衝突では「熱は発生せず、物体は変形しない」と言い切れるのでしょうか？
回答宜しく願います。

衝突 力学的エネルギー 保存

Answer 1

✨ คำตอบที่ดีที่สุด ✨

Rei

物体が変形していたり熱が発生していたとしたらそこにエネルギーが使われますよね。つまり、全く同じ速度で跳ね返ってこないわけです。

完全弾性衝突はぶつかる前とぶつかる後の速度は同じなのでエネルギーが失われていない＝変形も熱も発生してないと言い切れるわけです。

kakko_pn

返信が遅くなって終いすみません。

完全弾性衝突はぶつかる前とぶつかる後の速度は同じなのでエネルギーが失われていない＝変形も熱も発生してないと言い切れるわけです。
→確かに、その視点から考えると、熱が発生せず、物体は変形しないと考えられるのは分かります。ただ、自分の言い方が悪かったのか、自分が聞きたいのはその様なことではなく、その、何と言いますか、どうにかすれば完全弾性衝突が起こると言うのは認識して居るのですが、自分が認識して居る条件下では、完全弾性衝突が起こらないんですよね。
そもそもどう言う条件下で完全弾性衝突が起こるんですか？

良く纏まって居なくてすみません(*_ _)

kakko_pn

まだ、全然会話が終わって居ないのにベストアンサーを選んで終いすみません。ボタンを押し間違えて終いました。

Rei

なるほど。つまり、完全弾性衝突のイメージがもてないってことですよね？そりゃそうです。完全弾性衝突はエネルギーが失われない、つまり壁との接触時間がt＝0,00000000…＝⊿tなので、現実世界では完全弾性衝突は起きないでしょう。ただあくまで空想上このような運動が起こりえたらエネルギーが減らないって話です。そもそも物理は仮定や無視することが多いので現実世界で考えても上手くいかないことが多いです。

kakko_pn

また返信が遅くなって終いすみません💦
私が使った「直感的」と言うのは現実世界で起こらないから理解できないとかそう言う意味ではないんです、、、

完全弾性衝突はエネルギーが失われない、つまり壁との接触時間がt＝0,00000000…＝⊿tなので
→壁との接触時間が短ければ（ほぼ0であれば）完全弾性衝突となるのですか？もし接触時間が0であればそもそも衝突ではないのではないですか？またもし少しでも接触していれば熱が発生しますし、物質も変形するのではないでしょうか？

Answer 2

ぺんぎん

＿科学とは、仮定とする前提条件の上に仮説を組み立てているのです。前提条件を作ることで、物事を単純化して理解し易くするためです。
＿ですから、仮定とする前提条件と、現実と、の違いを理解することが、仮説よりも重要な場合もあります。

＿『「熱は発生せず、物体は変形しない」と言うのは直感的に納得できません。』→基本的には、現実には完全弾性衝突はないからです。その様な仮定をしているに過ぎません。滑らかな机の上で、と、言う言葉で摩擦がないと言う仮定をしているのと同じです。
＿現実には、摩擦がなくなることはありません。
　
＿『なぜ、完全衝突では「熱は発生せず、物体は変形しない」と言い切れるのでしょうか？』→物事を単純化するためにその様な仮定をしているだけに過ぎません。

kakko_pn

返信が遅くなって終いすみません。
どうやら、私の「直感的な」と言う言葉の使い方が悪かったのかも知れませんね。ぺんぎんさんは私が、滑らかな机の上で物体を運動させると摩擦が生じないこと、が直感的に納得できない、と言う風に捉えて居る様に感じましたが、寧ろ、その条件下で摩擦が生じないのは直感的に納得できます。(°-°；)
しかし、完全弾性衝突とは言っても衝突しては居るので「熱は発生せず、物体は変形しない」と言うのが直感的に良く分からないんですよね。もしかして、完全弾性衝突が起こるのって、摩擦が生じない場合だけなのでしょうか？もしそうであれば、熱が発生しないというのは直感的にわかるのですが、、、

kakko_pn

でも、摩擦が生じても生じなくても、衝突すれば、物体は変形するのではないかと思うのですが、、、

kakko_pn

そもそも、どう言う条件下だと、完全弾性衝突になるのでしょうか？
実生活だと完全弾性衝突が起こらないと言うのは分かりますが、、、

kakko_pn

まだ、全然会話が終わって居ないのにベストアンサーを選んで終いすみません。ボタンを押し間違えて終いました。

ぺんぎん

【そもそも、どう言う条件下だと、完全弾性衝突になるのでしょうか？】
＿①、衝突する物質が滅茶苦茶硬い、と言うことが条件です。
＿既に述べた様に、現実世界では、完全弾性衝突するほど硬い物質はありません。これからは、SFの世界に成ります。それから、私は、kakko_pn さんよりは、知識がありますが、大学で理論物理学を学んだ人やら、独学で体系滴定に物理を学んだ人達やら、とは違い、また、当時選択であった高校物理を学んでおらず、大学に入ってから必要に迫られて物理を独学で学んだ身なので、考察に間違いがあるかも知れません。
＿現実世界にはない現象なので、思考実験に成ります。
＿②、現実世界にはない、滅茶苦茶硬い、衝突しても変形しない物質とは何か？そして、衝突して変形すると、何故熱エネルギーになるのか？
＿その答えの一つが、弾性エネルギーです。物質の構成単位同士が模式的には、分子間力等の力で、バネの様な力で繋がっており、これが伸び縮みすることで変形し、バネが伸び縮みする際に熱が発生するのです。
＿このバネの様な物が、棒の様な伸び縮みしない結合力で結びつけられると、変形せず衝突しても熱を発生しません。これを、SF世界で仮に、固体の構成単位間の(仮)ボンド結合と呼びます。
＿③、少なくとも、固体は、この世界では振動エネルギーを持たないのです。振動エネルギーがないと、どの様な事が起こるのでしょうか？凍った世界に成ります。
＿④、理解してあるかどうか、kakko_pn さんの質問やらコメントやらからは、心配なのですが、温度とは、物質の振動エネルギーの状態を表す物理量であって、質量が物質の持つ慣性の大きさの物理量である様に、物質が持つ本質的な状態であって、速度やら加速度やら、の様な周りから一時的に与えられた状態の物理量ではないのです。
＿⑤、そして、絶対零度では、「全てが氷りつく」とか、漫画とか、ライトノベルとか、では言っていますが、例えば、ヘリウ厶は、1気圧では、絶対零度になっても、固体にならず液体のままです。正確には、見た目は液体なのですが、超流動(体)と言う状況に成ります。電気抵抗が無視できる程小さくなると、超伝導と言うちょっと変わった現象が起きる様に、粘性が無視できる程小さくなると、超流動と言うちょっと変わった現象が起きる様に成ります。
「続く」

ぺんぎん

「つづき」
＿粘性とは、ストローてシェイクを飲む時に力を掛けて吸わないと飲めない現象の原因であり、細い通り道を通る時に抵抗力となる物理量で、流体の垂直剪断緑地とも言えます。
＿ヘリウムの場合、同位体の混ざり具合にも依りますが、およそ2[K](ケルビン)からこの超流動(体)に成ります。そして、同位体の混ざり具合に依りますが、絶対零度でも、二十数気圧〜三十数気圧にならないと、固体の状態にはなりません。実験で確認されている様です。書籍に載った写真でしか見たことはありません。滅茶苦茶お金の掛かる実験なのです。
＿⑥、現実世界の絶対零度よりも更に、振動エネルギーを持たない世界なので、このSF世界では、少なくとも固体には温度と言う概念はありません。だから、凍った世界なのです。そして、(仮)ボンドでむす美付く為には、物質の基本構成粒子は、粒の性質だけを持ち、波の性質は持ってはなりません。従って、電子は、電子雲としては存在せず、粒として存在します。光も粒として存在します。干渉と言う光現象も、電気も、磁気も、ない世界です。固体同士では、摩擦は発生しません。結合する(仮)ボンド状態か、乗っていて摩擦力ゼロの(仮)オン状態か、しかありません。従って、摩擦力やら摩擦熱やらは存在しない世界に成ります。

ぺんぎん

＿私は、「直観的」と言うkakko_pn さんの言葉を、経験的に、と言う意味で捉えました。
＿物体が衝突して変形もせず、熱も発生しない、それはおかしい。と、kakko_pn さんが感じていると受け取りました。ですから、現実世界には、あり得ないから、その直感力は正しいのだ、とコメントしました。
＿ですから、摩擦のない世界もないけれども、今まで普通に設問を解くときに受け入れてきたんじゃあないの？と問いかけました。
＿(結果的には、摩擦のないSF世界になりましたが、)直接的には、摩擦が物体の変形や、衝突の際のネットを産み出しているのではありません。
＿逆に、kakko_pn さんが、何故、摩擦のない世界(SF)を受け入れれて、完全弾性衝突のある世界(SF)を受け入れられないのか、が分かりません。
＿それよりも、(余計な)心配なのは、kakko_pn さんが、温度は周りから与えられて変わる物理量てある、と捉えているのではないか？と、言う事です。
＿⑦、中学の時に習ったと思いますが、雲が出来る時の、断熱膨張の温度が下がる原因、とかを正しく理解していますか？
＿⑧、流れ星は何故光るのでしょうか？空気との摩擦熱ではありませんよ。キチンと理解していますか？

kakko_pn

また返信が遅くなって終いすみません💦
えーっと、つまり、完全弾性衝突と言うものは摩擦がなく、どんなに力を加えても物質が変形しないと言う条件の下で起こると言うことで合って居ますでしょうか？確かにその様な条件下だと完全弾性衝突が起こると言うのは直感的に納得できますね。

ぺんぎん

＿条件としては、変形しない、と言うことだけです。
＿変形しないことの条件を考えていくと、固体に対して温度が存在しないことになり、2次的に熱が発生しないし、固体同士の摩擦もない、と推測される、と言うことです。

＿流れ星が光るのは、空気摩擦に依る発熱ではない、と、言うことは分かっていますか？

kakko_pn

ぺんぎんさんのSF世界？の話は正直良く分かりませんでした。（化学基礎の履修が終わって居て、物理基礎の履修は終わって居なく、まだ余り深くまで勉強していないもので、、、(_ _;)）

温度は周りから与えられて変わる物理量てある、と捉えているのではないか？
→自分は温度が高くなるに連れて原子の振動の激しさが増すと言う風に捉えて居るのですが、、、また物質にエネルギーが与えられると原子の振動が激しくなり、温度が上がると思って居ましたが、、、間違って居ますかね？そもそも物理量の定義がはっきり分かって居る訳ではないのですが、、、

中学の時に習ったと思いますが、雲が出来る時の、断熱膨張の温度が下がる原因、とかを正しく理解していますか？
→中学時代の理科の資料集には載って居ましたが、授業では扱わず、自分で読んだこともないので、良く分からないです、、、

流れ星は何故光るのでしょうか？空気との摩擦熱ではありませんよ。キチンと理解していますか？
→今まで考えたことはありませんでしたが、摩擦で光るのではないのですか！？

ぺんぎん

＿あと、何故摩擦がない事と発熱とに強く拘っているのか、分かりません。それから、例えば、気体の断熱圧縮により温度が上がるのは、力に力学的エネルギーが加えられたからでも、外から熱が伝導したからでもありませんよね？
＿温度と言うものが何か、何故、絶対零度があって、それ以下の温度がないのか、分かっていますか？

kakko_pn

変形しないことの条件を考えていくと、固体に対して温度が存在しないことになり、2次的に熱が発生しないし、固体同士の摩擦もない、と推測される、と言うことです。
→おおよそ理解しました

流れ星が光るのは、空気摩擦に依る発熱ではない、と、言うことは分かっていますか？
→分かりません、、、

ぺんぎん

＿温度の捉え方は、高校生としては、ほぼ正解です。以前のコメントに書きましたが、物質の振動エネルギーの状態であると考えて下さい。
＿流れ星の話しは、長くなるので、また今度します。空気摩擦で光るのではありません。

kakko_pn

温度と言うものが何か、何故、絶対零度があって、それ以下の温度がないのか、分かっていますか？
→物質を構成して居る原子の振動が止まって終うからですよね？

kakko_pn

あと、何故摩擦がない事と発熱とに強く拘っているのか、分かりません。
→どう言う意味ですか？

ぺんぎん

＿「完全弾性衝突が起こるのって、摩擦が生じない場合だけなのでしょうか？もしそうであれば、熱が発生しないというのは直感的にわかるのですが、、、」→kakko_pn さんの以前のコメントからは、摩擦が発生しないと、熱が発生しない。と、考えている様に感じます。
＿私のコメントにかきましたが、摩擦がなくても、物体が変形すれば熱は発生します。
＿バネが伸び縮みを繰り返すと、針金の一箇所を何度も折り曲げると、発熱するのと同じ理屈です。発熱部分に摩擦は関係していないですよね？

kakko_pn

「完全弾性衝突が起こるのって、摩擦が生じない場合だけなのでしょうか？もしそうであれば、熱が発生しないというのは直感的にわかるのですが、、、」→kakko_pn さんの以前のコメントからは、摩擦が発生しないと、熱が発生しない。と、考えている様に感じます。
→摩擦が発生しないと、熱が発生しないのかは今の自分の状態では分かりませんが、摩擦が発生すれば熱は発生しますよね？必要条件と十分条件の取り違え見たいな感じですね、、、

バネが伸び縮みを繰り返すと、針金の一箇所を何度も折り曲げると、発熱するのと同じ理屈です。発熱部分に摩擦は関係していないですよね？
→伸び縮みに依ってバネを構成して居る原子同士が摩擦し、熱が発生するものだと思って居ましたが、、、？？？

ぺんぎん

＿摩擦とは、物質と物質との接触面で生じる現象です。物質の内部で起こる現象は、分子間(粒子間)相互作用です。摩擦ではありません。分子間(粒子間)の振動エネルギーが高くなって発熱したのです。摩擦の為ではありません。
＿断熱圧縮で気体の温度が上がる現象はどの様に理解しているのですか？

kakko_pn

分子間(粒子間)の振動エネルギーが高くなって発熱したのです。
→どの様にして振動エネルギーが高くなったのでしょうか？圧力を加えたからですか？

断熱圧縮で気体の温度が上がる現象はどの様に理解しているのですか？
→断熱変化に就いてはまだ学習したことがないので良く分かりません。

ぺんぎん

＿「どの様にして振動エネルギーが高くなったのでしょうか？圧力を加えたからですか？」→力を加えたからです。圧力ではなく、応力、降伏力と言う力です。応力は、基礎物理てはなく、物理応用で習うと思います。今は、力で振動エネルギーが高くなった、と理解して下さい。降伏力は、大学で物性とかを習うと教えて呉れます。私は、独習しました。

ぺんぎん

＿「断熱変化についてはまだ学習したことがないので」→コメントから、学校で(中学の時？)雲のでき方は飛ばしたので自分で独習した、みたいな、話しがあったので習っていないのか、と、思いますが、複数の中学の教科書・参考書には、中学の雲のでき方の項目で、断熱膨張と言う言葉を使っています。
＿本来は、中学で習っている言葉・現象てす。断熱圧縮は、断熱膨張の逆過程です。

ぺんぎん

＿そして、短時間ならば、断熱圧縮≒(単なる)圧縮です。

kakko_pn

力を加えたからです。圧力ではなく、応力、降伏力と言う力です。
→そもそも力を加えれば物体の持つエネルギーが高くなると言う認識は正しいですよね？

「断熱変化についてはまだ学習したことがないので」→コメントから、学校で(中学の時？)雲のでき方は飛ばしたので自分で独習した、みたいな、話しがあったので習っていないのか、と、思いますが、複数の中学の教科書・参考書には、中学の雲のでき方の項目で、断熱膨張と言う言葉を使っています。
→中学の時で合って居ます。雲のできかたは習いましたが、断熱変化は扱いませんでした。資料集にはありましたが、教科書にはなかったので独学もして居ないです。

ぺんぎん

＿「そもそも力を加えれば物体の持つエネルギーが高くなると言う認識は正しいですよね？」→物体の持つエネルギーを力学的エネルギーと内部エネルギーとに分けて考えましょう。完全弾性体に力を加えても、内部エネルギーは変化しません。力学的エネルギーだけが変化します。
＿高校の基礎地学？(或いは、基礎理科？一般理科？)で、雲のでき方は習わなかったの？

kakko_pn

物体の持つエネルギーを力学的エネルギーと内部エネルギーとに分けて考えましょう。完全弾性体に力を加えても、内部エネルギーは変化しません。力学的エネルギーだけが変化します。
→分かりました。ありがとうございます。

高校の基礎地学？(或いは、基礎理科？一般理科？)で、雲のでき方は習わなかったの？
→高１の時は化学基礎、生物基礎、物理基礎を取って居て、地学基礎は取りませんでした。なので、雲のできかたを最後に習ったのは中学の時ですね、、、

ぺんぎん

＿そこの部分も選択なんだ。昔は理科Ⅰで全部の基礎をやったんだよね。なるほど。

ぺんぎん

＿だから、中学で断熱膨張とかやっているんだ。
＿中学ではまだ早いのでは？ぺんぎん　が学生の頃は、理科Ⅰで高校で習ったのに、と思っていたんだよね。

kakko_pn

自分の学校では理科基礎は4つから3つ選べとなって居ますね。上位理科は4つから2つです。何か文部省で最低幾つ取らないと行けないか決まって居る見たいですね。因みに確か東京に文系でも理系でも全科目（実技科目も全て）履修しないと行けない学校があるらしいです。