手のひらに載せた石を支えるエネルギーについて

質問

手のひらに載るような石を支えて手が動かないようにしているいると、手が疲れてきます。筋肉がエネルギーを使っているのだと思いますが、この石を地面に置いてみた場合にも、手のひらに乗せていたと同じように何かエネルギーが使われているのでしょうか。

回答No.5

Quarks

>起重機が重量物を空中で支えている場合でも同じことなのでしょうか

はい、そのとおりです。石が地面で支えられているのも、起重機が石を支えているのも、腕を曲げて掌で石を支えているのも、同じ状況です。どれも、石の位置エネルギーとは無関係です。
どの場合も、石を支え得るために、地面も起重機も掌も、石に対して"力"を及ぼしていますが、"石を支えるために"エネルギーを消費していません。

石が或る高さで静止している状況を、物理では次のように解釈しています。

石には重力（下向きに働く、地球からの引力）が働いています。もし、この力だけが作用しているなら、運動方程式から、石には重力の向きに加速度が生じます。加速度は速度の変化をもたらしますから、止まっていた石はやがて下向きに動きだし、どんどん速くなっていきます。これは、石が静止しているという状況と矛盾しています。石は静止したままなのですから、加速度が０です。これは、先の運動方程式から、石に作用している力は０になっていることを意味しています。重力が作用しているのは明らかですから、この重力を打ち消すような力も石には作用していたと考えなくてはなりません。その、石の重力を打ち消している力が、或る場合には地面からの垂直抗力であったり、掌からの垂直抗力であったり、起重機が上向きに引き上げている力だったりするわけです。
このように、物理的には、"石が静止したまま"という状況は、力の釣り合いとして解釈されます。

一方、仕事とは、物体の"移動"を伴う現象に対する解釈の１つです。
　仕事＝力・物体の移動量
と、仕事は定義されています。移動を伴わなければ、仕事は０、と解釈するわけです。
さらに、或る物体が他の物体に対して、仕事をすることができる能力、のことをエネルギーと定義しています。エネルギーの量は、他の物体に対してなし得る仕事量がいくらなのか、で表現することにしています。そして、物体が、他の物体に対してＷの仕事をすると、Ｗだけエネルギーが減少する、としています。
ですから、石を移動させることがなければ、石に対して仕事をしていない。仕事をしていなければ、エネルギーの減少は起こらない、と解釈することになります。

繰り返しますが、このように、石を支えるためにエネルギーが消費されることはない、というのが正統的な物理の答です。

もし、この解釈に矛盾するような現象が見られたら、そのエネルギー消費は、石を支えるためではなく、付随する別の場面でエネルギーが消費されているためなのではないかと考えてみるのが妥当でしょう。

補足

頭が悪くて済みません。筋肉はＡＴＰのエネルギーを使って収縮して、最終的にはこのエネルギーは熱の形で放出されるはずですが、このような場合エネルギーが必要であるということにならないのでしょうか。起重機の場合は、どこも「くたびれない」のが不思議です。