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解決済みの質問

力学的仕事、力学的じゃない仕事

そういえば「高校の物理」で習いましたよね。
「(力学的)仕事」=「力」X「力の方向に移動した距離」。

つまりバーベルを腰の高さに持って(鉛直方向に重力がかかっている)、それを頭の上方向に持ち上げれば仕事をしたことになるが、バーベルを腰の高さのまま、前に歩いていっても仕事にならない。(重力の方向と移動方向が垂直なため。)

でもバーベルを腰の高さにキープして前に歩くのもそれなりにしんどいですよね。

物理的定義とこの感覚との相違とうまく説明できるかたがいらっしゃいましたら、お教え下さい。

投稿日時 - 2006-07-01 23:17:56

QNo.2249912

暇なときに回答ください

質問者が選んだベストアンサー

動物の歩行運動は、とても効率が悪いんですよね。

筋肉は、仕事をしなくても、力を加えるだけで
エネルギーを消耗する非効率なアクチエーターなんです。

そこで考えだされた工夫が、
自転車、キャスター、などのコロの原理です。

バーベルを腰の高さにキープして
ローラに乗って転がれば楽でしょう。

投稿日時 - 2006-07-01 23:33:19

お礼

ご回答ありがとうございます。

「筋肉は、仕事をしなくても、力を加えるだけで
エネルギーを消耗する非効率なアクチエーター」

アクチエーターという発想はいいかもしれませんね。

あまりアクリエーターのことは詳しくないのですが、
一般的にはアクチエーターは力を加えるだけでエネルギーを消耗するものなのでしょうか?

投稿日時 - 2006-07-02 22:11:12

ANo.4

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回答(8)

ANo.8

> バーベルを腰の高さにキープして前に歩くのもそれなりにしんどいですよね

歩かないでも
(1)「バーベルを腰の高さにキープする」
だけでもしんどいですよね?
この「しんどさ」は物理現象で言うと

(2)「ホバリングして浮いてるヘリコプター」
とか
(3)「急斜面を登ろうとしてタイヤが空転している自動車」
(タイヤの動摩擦と自動車の重量の斜面接線方向成分が丁度つりあってしまっていて
 登れもしないが、ずり落ちもしないでタイヤが空転してる状態)

で消費されるエネルギーに近いのではないでしょうか?

(1)~(3)の現象の共通点は「散逸系」ということでしょうか。


ただ、

> 物理的定義とこの感覚との相違

に対する問いは、結局

 この世の素過程には「電磁気力」「重力」「強い力」「弱い力」の
 四種のポテンシャル力しか存在しないのに
 (そしてこれらを力の項にもつ運動方程式は
  時間反転対称性を持つのに)
 なぜ、これらの連立系に過ぎないマクロ系では
 (時間反転対称性を持たない)摩擦力(散逸)が現れるのか?

という問いに行き着き、
そしてこの問いにはまだ万人が納得する答えは無いのではないかと思います。

投稿日時 - 2006-07-08 04:59:06

お礼

ありがとうございます。

「散逸系」ですか。

投稿日時 - 2006-07-08 23:53:09

ANo.7

#6です。

>物理的定義とこの感覚との相違

この質問には次の2つの要素が含まれていると思います。
1.力学的仕事=ゼロという物理的定義自体に間違いがあるのではないかという要素
2.力学的仕事=ゼロは正しいと認めるが、それならバーベルを持って歩くのに何故エネルギーが必要か、また人間が消費したエネルギーは何処に消えたかという要素

ご質問のポイントは2.の疑問のようです。
この疑問に答えるため次のモデルを考えてみました。
持上げたバーベルを預ける台が鋼性の高い頑丈な台ではなくエアーの入った袋だと仮定します。
しかも袋は内圧に比例したエアー漏れがあり、エアーを供給し続けないと袋がしぼんでバーベルを同じ高さに保持できない袋です。
このモデルだと袋自体はバーベルに対して何の仕事もしていませんがエアーを供給し続けないとバーベルを同じ高さに保持できません。
人間の筋肉もこの袋の様なものと考えれば何となく納得いきませんか?
つまり何か重いものを手に持ってそのものをある位置に保持しようとすると、外部に対する仕事はゼロでも筋肉に栄養を送り続けることが必要になります。(袋にエアーを送り続けるように)

別の見方をすると筋肉のような本来自由度が高く設定されたものをある特定の位置に保持する(つまりエントロピーの低い状態に保持する)にはエネルギーが必要だと言うことではないでしょうか?

投稿日時 - 2006-07-03 20:45:41

お礼

前回は失礼なご返事をしてしまいました。
どうもすみません。

エアー袋、アクチュエータ、筋肉、そこら辺のあたりをもう少し考えてみたいと思います。

投稿日時 - 2006-07-03 21:36:52

ANo.6

地面に置いてあるバーベルを腰の高さまで持上げれば力学的仕事をした実感があります。
またバーベルを腰の高さに保持したまま前に歩いても力学的仕事をした実感があります。
ところでバーベルが地面に置かれているのを見ると、実際に重力は作用しているけれど誰かが力学的仕事をしている訳ではなく力だけが作用している状態です。
「(力学的)仕事」=「力」X「力の方向に移動した距離」で、力の方向に移動しないので仕事はゼロです。
人間がバーベルを腰の高さに保持したままにするとバーベルの重さを人間の体が受けるので力も要るし疲れます。
ところで腰の高さに上げたバーベルを腰と同じ高さの台の上に預けてください。
手を離してもバーベルはその高さに保持されるし手も疲れません。バーベルは地面の上に置かれた状態と同じで誰も仕事をしていません。
結論的には人間がその筋肉でバーベルを保持すると、力学的仕事ゼロでも生体的にはエネルギーが必要ということだと思います。
それが無駄なエネルギーと判ればバーベルをさっさと台の上に預けてください。
もしバーベルを乗せた台が摩擦抵抗ゼロの台であれば
横方向に移動する場合の力学的仕事量もゼロになります。
実際には摩擦ゼロは無理ですが、例えばコロ付(車輪付)台車に乗せて運搬すると簡単に移動出来ます。
重力の方向と移動方向が垂直なため力学的仕事=ゼロが納得出来る程度の簡単さです。
(慣性体の加速・減速に関しては無視しています。)

投稿日時 - 2006-07-02 16:12:36

お礼

ご回答ありがとうございました。

いただいたご回答ですが、私の読み方が悪いのかもしれませんが、質問の内容がオウム返しで書かれているようにしか読めませんでした。

投稿日時 - 2006-07-02 22:17:13

ANo.5

力学的な仕事のエネルギーはたいした量ではありません。例えば、5kgの物体を機械で10m持ち上げたとして
5g×10=98×5=490[J]にすぎませんが、
人間の代謝エネルギーは一日1000~2000kcalの単位
であり、ちょっと体を動かすだけでも数10kcalにはなります。30kcal=30×1000×4.2[J]=126000[J]となります。筋肉が仕事をするときは、内部で複雑な形態をとっていて筋繊維が何度も細かく振動したり、収縮、伸張して最終的な仕事を行うのでしょう。それが、
10万ジュールという桁に反映されているのだと思います。

投稿日時 - 2006-07-02 11:55:20

お礼

ご回答ありがとうございます。

こういった事情もなにかしらヒントが含まれているかもしれませんね。

投稿日時 - 2006-07-02 22:12:11

ANo.3

力学的仕事と生理的な仕事は違うということでしょう。
2人の力士が力一杯押し合って全く動かないときも2人とも汗びっしょりで息が上がりますよね。

投稿日時 - 2006-07-01 23:25:48

お礼

ご回答ありがとうございます。

「力学的仕事と生理学的仕事が異なる」

そういうことなのでしょうね。

なにか物理的にクリアーがご説明はないかと思い、質問しました。

投稿日時 - 2006-07-02 22:02:18

ANo.2

面白い疑問なので思わず答えます。

バーベルを腰の高さにキープしたまま前進するとしんどいですが、
そのしんどさは、静止したままのときと同じです。

そのしんどさは単に重力に逆らうための仕事に過ぎません。
とくに腕でバーベルを持っていれば感覚的に顕著になるだけでは。
たとえば腰にオモリを付けてみたらどうでしょう。
腕の場合と感覚的に異なるはずです。
腰にオモリを付けたまましばらく生活すれば、前進するときのしんどさはなくなります。
なぜなら筋力がつくから。

投稿日時 - 2006-07-01 23:25:43

お礼

ご回答ありがとうございます。

「そのしんどは単に重力に逆らうための仕事」というご指摘ですが、物理学のいうところの仕事として考えると、
力の方向への移動がゼロなので、
「仕事=ゼロ」なのです。 ここらへんがうまく説明できないものかと?

投稿日時 - 2006-07-02 22:00:40

ANo.1

前に歩くときに重さのかかった足をあげて前に進めるからしんどいのだと思います。さらに言えば、カロリーを使うということ(仕事をするということ)と、しんどいということもまた別物だと思います。

投稿日時 - 2006-07-01 23:21:48

お礼

ご回答ありがとうございます。

足を上げるのがしんどいということですが、全然前に進まずに、重りを手にもっていても厳しいですよね。

この感覚は物理的にはどう表すのでしょうか?

投稿日時 - 2006-07-02 21:51:42

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