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プログラミング、3DCGとその他いろいろについて

ポテンシャルエネルギーで遊ぼう!

基本的に、ボールが速ければ速いほど大きいのがエネルギーですが、ボールが止まっていてもエネルギーが大きい状態というのがありえます。高層ビルの屋上からボールを落としたら、最初は止まっていても落ちる頃にはすごい速度になっているでしょう。つまり高い場所にあるボールには一見エネルギーがないように思えても、潜在的なエネルギーがあるわけです。この潜在的なエネルギー(ポテンシャルエネルギー)で遊べるシミュレーションを書きました。


ポテンシャルエネルギー

このプログラムはポテンシャルエネルギーで遊ぶためのものです。赤色の地形はポテンシャルエネルギーの大きさを表しています。高ければ高いほどポテンシャルエネルギーは大きいです。青い円はボールか何かの状態を表しています。マウスや←キー、→キーを押して遊んでみましょう。

操作方法

マウスでドラッグ:ポテンシャルエネルギーの形を好きなように描きます。

[←]キー:ボールに←方向の力を加えます。

[→]キー:ボールに→方向の力を加えます。

[空気抵抗あり]:空気抵抗をオンにしたりオフにしたりします。

解説

高層ビルの屋上にあるボールは潜在的なエネルギーが大きく、それを地面に落とすと潜在的なエネルギーは運動エネルギーに変換されます。速度が大きくなるということです。

このシミュレーションではその様子で遊べます。最初高いところにある青いボールは次第に低い方に移動していき、同時に速くなります。勢い余って高いところに行くかもしれませんが、そのときには速度は小さくなります。いわゆるエネルギー保存の法則で、運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの和は一定なのです(ただし、空気抵抗をオンにすると徐々にエネルギーは熱として逃げていきます)。

ひとたびボールを手から離すと落ちます。ポテンシャルエネルギーはどんどん低くなっていきます。ではどうして、ボールを手で持っている間はポテンシャルエネルギーが低くならないのでしょう?それはもちろん手でつかんでいる間はボールは下に落ちることが出来ないからですが、このシミュレーションで言うとこうなります:

指に引っかかって落ちることが出来ないのです!指を離すと、地形が変形し最初の画像のようになめらかになります。だから落ちるのです。私たちは指を動かすことによってポテンシャルエネルギーの地形を変えているのです!

ボールに限らず、私達は手でいろんなものをコントロールする時、ポテンシャルエネルギーの地形を自由自在に変化させています。キーボードを叩く時、マウスを動かす時、冷蔵庫の取っ手をつかむ時、ボールを投げる時、コンビニで硬貨を店員に渡す時、ほとんど常にです(このシミュレーションのようにポテンシャルエネルギーではなく「勢い」を利用して別の状態に変化することもありますが)。基本的に現在地のポテンシャルエネルギーは高く、目的地のポテンシャルエネルギーは低いのです。

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