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例題集 / 物理 / 力学 / 力学的エネルギー

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弾性力の仕事

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ばね定数 $k$ のばねを水平な床の上におき,一端を壁に固定する. 他端に物体をとりつけ,自然長から $L$ だけ伸ばして手を放したとき, 自然長に戻るまでの間に弾性力がする仕事 $W$ を求めよ.

解答例・解説

自然長からの伸びが$x$のとき, ばねは大きさ$kx$の力で物体を引こうとする. よって,ばねが$x$伸びた状態から微小量$dx$だけ縮む間に する仕事$dW$は$dW = kx \cdot dx$となる. 自然長まで縮む間にする仕事$W$は, $0 \leq x \leq L$で$dW$を足し合わせることにより求められるので % \begin{align*} W = \int_{(x = 0)}^{(x = L)} dW = \int_{0}^{L} kx\, dx = \left[\frac{1}{2} kx^2\right]^L_0 = \frac{1}{2} kL^2. \end{align*} %