仕事について（同じ質問が多いでしょうが）

質問

手で、水の入ったバケツを「じっと」持っていると、仕事＝∫F・dr＝０　です。
つまり、「手は、バケツに対し仕事をしていません」　しかし、体の持つ化学エネルギーは、
（バケツを持っていない場合と比べて）
どんどん「いつまでも」失われていきます。

腕の応力とか、地上からバケツを持ち上げるための仕事
とか、考えたのですが、
「体の持つ化学エネルギーが「いつまでも失われ続ける」ことが、わかりません。

これは、どう考えれば、いいのでしょうか？

回答No.7

joshua01

こんにちは。
似たような問題で悩んだことがあります。次のような説明ではいかがでしょうか。
ポイントは、「この問題は、通常のニュートン力学では説明できない。熱力学の考え方により説明する」というところ。
人体を使うと説明が難しくなるので、もっと単純に、
「電磁石で鉄塊をくっつけて落とさないようにする」
という問題にしてみましょう。

電磁石に貼り付けることでひとたびつり下げた鉄塊は、時間がたっても高さ（位置エネルギー）は変わりません。
でも、明らかに電流は流れ、エネルギー（電池）が消耗します。
このとき、電気のエネルギーは鉄塊にどのように加わったかというと・・・「鉄塊には加わっていません」ね。
電気エネルギーは電流として通過する段階で、コイルの電線の抵抗により熱に変換されているだけです。
確かに、もし、電線の抵抗が「０」だとすると、回路の一部に別にヒーター抵抗をいれてコーヒーをわかすことができます。
（ヒーターを入れずに接続すると電流が無限大になって回路が破綻する（現時には生じない）。また、スイッチを入れる瞬間や鉄塊を持ち上げる段階の過渡状態ではちょっと複雑なことが起きてしまうので別途。）
この場合、入力エネルギーは、すべてコーヒーの熱エネルギーとなって収支は均衡し、電磁石はエネルギー授受に介在していません。

このように、同じ結果を得るためにも熱エネルギーとして大量に放出する系（いわば効率の悪い系）と放出が少ない系とが存在し、一般的には安定な系（ロープでつり下げた重りやへこみの中にある鉄球のように動作の自由度が少ない系）に比べ、不安定な系（いつでも切り離しのできる電磁石や筋肉、伏せたお釜のてっぺんに置いた鉄球）のほうが状態維持に必要な熱の放出が大きい傾向にあります。この考え方は熱力学の「エントロピー」（エネルギーの総量が変わらなくても熱エネルギーへの変換はどうしても生じてしまい、熱は広がる一方で回収がむずかしい）の考え方のひとつと言えるでしょう。

　結局、バケツを下げた腕のモデルでは、疲れる部分を「指」と「腕」に分ける必要があり、「腕の疲労」は、どちらかというと「血流の停滞」や「長期間の張力による組織破壊の可能性」を生体として警告しているもので、エネルギー浪費の意味の比率は小さいですが、「指の疲労」は、主にはテコの原理で、静電気の引力を使った反応の一種であるアクチン・ミオシン（筋肉）の反応においてエネルギーを使っている疲労感が支配的であり、そのエネルギーは「熱として浪費されて均衡している」・・・と理解して良いでしょう。
なお、一見、「手」と同じに見える「鷲が兎をつかんで飛び去る」ときの「足」の機能は、しかし手とは異なり、足の腱にノコギリ状の組織が並んでいてこれらが噛み合い、アクチン・ミオシンの反応がなくても長時間兎を支えることができるようになっているそうです。「残酷ながら効率的」ですね。

さてさて、長くなってしまいましたがいかがでしょうか。
お役に立てば幸いです。

お礼

超伝導の空芯コイルで考えると、
完全な超伝導なら、電力は食わないけど、微小な抵抗があると、やがて鉄塊は落ちる
わけで、これは、散逸系　と思います。

「バケツを筋肉で持っている系」も、散逸系
で、合ってるでしょうか？

補足

すいません。疑問が残ります。
＞電気のエネルギーは鉄塊にどのように加わったかというと・・・「鉄塊には加わっていません」
仮に、（持ち上げた後で）わざと抵抗を入れて、この電流を、少しでも減らしたら、
鉄塊は、落ちる　と思うのです。
もしそうなら、この電流は、鉄塊を支えるエネルギーに使われている　と解釈できませんか？

それとも、鉄塊は、落ちない　のでしょうか？
（空芯コイルで持ち上げるとすると、ですが）