力学的エネルギーは保存する？ジェットコースター（レール）を使った場合の実験（力学的エネルギーの保存）
サイエンストレーナーの桑子研です。このサイトで科学を一緒に楽しみましょう。
力学的エネルギーの保存って聞くと、振り子やジェットコースターがよく中学校の授業で扱われますよね。たとえば、振り子が左右に揺れるとき、位置エネルギーが運動エネルギーに、また運動エネルギーが位置エネルギーに変わるのが見て取れます。ジェットコースターも同じように、頂上に登るときは位置エネルギーが最大、そして下り坂でそれが運動エネルギーに変わるという感じです。でも、実際にレールを使った実験ではどうなるのか、気になりませんか？
というわけで、今日はレールを使って力学的エネルギーの保存について実験してみました！具体的には、鉄球やビー玉を使って、位置エネルギーが運動エネルギーにどのように変換されるのかを観察しました。使用したのは、鉄球小、ビー玉、そして鉄球大の3種類。それぞれをレールの上で転がしてみると、期待していた通りにエネルギーが保存されているかどうかがわかります。結果はどうだったと思いますか？
なんと、実際の実験では、教科書に載っているような「エネルギーが完全に保存される」ということは起こりませんでした。むしろ、力学的エネルギーは振り子のように保存されず、大きく減ってしまったんです！え、なんで？って思いますよね。
こちらは私が行った予備実験のものです。
実験装置全体はこのような形です。
球は３種類用意しました。時間の関係で実際には１種類しか行いませんでした（予備実験では３つでおこなっています）
実際に生徒実験にてデータをとってみたものを１つ紹介します。
こちらはロスについてまとめたものです。
レールを使った場合、ロスが40%近くあることがわかります。つまり力学的エネルギーは保存しません。振り子の例がどれだけ特別なことだったのかわかるのと、ロスが振り子でも4パーセントはあるのだということも面白い気づきになると思います。
この現象の原因は、実際の世界には摩擦や空気抵抗といった要素があるからなんです。教科書で習う「理想的な世界」ではこれらの影響を無視することができますが、現実世界では、物体が動くたびに少しずつエネルギーが失われてしまいます。だからこそ振り子も永久に揺れ続けることはできないんですね。
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