動かないけど仕事

質問

１）柱のフックに買い物袋をぶら下がっています．
袋は上下動などせずにつりあっている状態とします．
この状態は袋もフック（柱）も仕事をしていないと
思います．

２）人が手で買い物袋をぶらさげています．
同様につりあっているとしたとき，やはり何も仕事は
していないように思えます．

しかし，実際には荷物を持っている人はえらく疲れますし，腕も痛くなります．

いったいどこで仕事をしているのでしょうか？

回答No.3

tgb · ベストアンサー

物理で言う「仕事」は確かに日常の力仕事の「仕事」から派生した
概念なのでしょうが、やはりこの場合は少し違うと思います。
　人が歩かずに荷物を持っている場合、物理的な意味での仕事はして
いません。しかし、物理的に仕事が行われなくても、荷物を持ってい
る場合は筋肉を硬直させてある一定の形状を保持させると言うことを
行います。このために生理的に相応の努力が払われて余分なものが使
用されたり、その消費により余分なものが新たに生成されてそれが生
体に悪い影響と与えたりします。（詳しくは知りませんが筋肉の疲れ
は乳酸がどうのこうのと言うことを聞いたことがあるのではないかと
思います）　疲れはこれから来るものだと思います。
　人間が行う力仕事で実際にものを動かし、物理的な意味での仕事を
する場合も勿論ありますが、この場合の仕事量を人間の側から見た場
合、私は上に述べた意味での仕事量にほんの少しだけ、物理的な意味
での仕事量を上乗せすれば達成出来てしまうのではないかと考えてい
ます。と言うのは、例えば、５ｋｇの荷物を運ぶのに
・鉛直方向に保持できさえすれば（物理的な仕事無し、上に述べた
　　仕事のみ）
・それを水平方向に動かすのは簡単（摩擦無しなので水平方向の力は
　　小さくて済む）
と言うことです。（細かく言えば歩くときの上下振動、地面から足に
作用する摩擦などありますが、大筋の議論としてしては省略しても差
し支えないでしょう。）

回答No.5

hiroshi9999

２）の答え。この質問に対する答えが「ファインマン物理学」（岩波書店、ファインマン著）に載っています。ファインマンによると、疲れるのは人間の筋肉の構造によるそうです。人間の筋肉が疲れるのは、小刻みに筋肉をちぢませたり伸ばしたりしているからだそうです。疲れない筋肉の例は、貝が殻をちぢませている筋肉などは、動かない限り疲れないそうです。

　「ファインマン物理学」にはもっと詳しく載っていますので読んでみたらいかがでしょうか？

お礼

誤って補足に記入してしまいました．

補足

ファインマン物理学立ち読みしてまいりました．
簡単にしか書かれておりませんでしたが，下記のように読み取りました．

筋肉には横紋筋（骨格筋）・平滑筋・心筋があり，人が随意に動かせる筋肉は横紋筋である．横紋筋は速い動きを，平滑筋・心筋はゆっくりとしたリズミカルな動きをする．

2枚貝の貝柱（閉殻筋）で，すばやく閉じる横紋筋と閉じた状態を保持する平滑筋でできている．開く力は靭帯の力で，焼いたりして閉殻筋がはがれると開いてしまう．平滑筋はエネルギーをほとんど消費せずに状態を保持することが出来る．
http://www.ntv.co.jp/megaten/library/date/01/03/0318.html

人が物を持ち続けるという動作は遅い動作であるが，随意筋である横紋筋が働いている．横紋筋では縮んだ状態を保持するにはエネルギーを消費し続ける．もし進化の過程で平滑筋を使えたならば，苦も無く持ちつづけることが可能であったろう．

平滑筋ってすごいんですね．
皆さんありがとうございました．

回答No.4

chukanshi

>買い物袋は仕事をしていません．
>人も運動エネルギーで言うところの仕事をしていません（？）

日常の空間スケール（mかcmのオーダー）から考えるとそうですね。
人間の腕を「剛体」と考えるスケールです。

>でも人はエネルギーを消費していますよね？
>ここで消費されるエネルギーはどのように考えたら良いのでしょうか？

そのとおりですね。この場合は、人間の体の筋肉細胞のエネルギー消費ですから、
空間スケールはμmのオーダーになって、考えるべき物理の対象が全く異なってきます。人間の腕をもはや「剛体」と考えることは出来ません。μmのオーダーでは人間の腕の筋肉は運動しているでしょう。

tgbさんが言及されているとおり、このオーダーになると、仕事と疲れの関係は
理解できるかもしれません。

回答No.2

chukanshi

アドバイスです。
物理で「仕事」というのは、
（終状態のエネルギー）引く（始状態のエネルギー）で定義される
物理量です。
「エネルギー」というのも、位置エネルギーmgh、や運動エネルギー
mv^2/2という定義された物理量です。

これらの物理量と、「疲れた」とか「腕が痛くなる」という感覚の
問題を直結して考えるのは、ちょっとムズカシイかもしれません。

日常の会話では
「仕事をして疲れた。」
といいますが、ここでいう「仕事」と
物理で言う「仕事」は、違う概念です。

物理が直感に合わずにムズカシイといわれるのは、
その辺が原因かもしれません。

以上、アドバイスでした。何かのお役にたてば。

お礼

アドバイスありがとうございます．

買い物袋は仕事をしていません．
人も運動エネルギーで言うところの仕事をしていません（？）

でも人はエネルギーを消費していますよね？
ここで消費されるエネルギーはどのように考えたら良いのでしょうか？

回答No.1

pasta

1）2）ともに見かけ上仕事はゼロです。
見かけ上というのは２つもしくはそれ以上の力のベクトルがつりあっていて見た目にうごかないということです。
柱と人の手は同義なのでまとめて説明しますと
重量ｍの買い物袋は常に重力によって地球の中心にｍｇという力で引っ張られています。
これを空中で静止させるわけですから柱ないし人の手は
上方に常にｍｇの力で拮抗しなくてはなりません。
（仮にこれが無重力の状態であれば仕事は０です。）
これが疲れる理由です。

お礼

早速の回答ありがとうございます．

重力に対抗するために力を使っていることは理解しました．
運動エネルギーも位置エネルギーも変化していません．
その力による仕事はどういうものに起因するのでしょうか？