質問: 物理の位置エネルギーで、どういう時に正になり、どういう時に負になりますか? 基準面との比較は分かりますが、なぜ下だと負になるのか、上は正になるのか分かりません
回答: 位置エネルギーというのは、 「その物体が、基準面にあるときに比べて、どれだけ大きいエネルギーを持っているか」 を示しています。 考え方としては、2通りあって、 基準面にあったものを、そこまで動かす、という方向で考えると、 高いところへ運ぶには、エネルギーを外側から注ぎ込んでやらないといけない(要するに上に運び上げる、ということですが^^)ので、位置エネルギーは増えて、プラスになり、 逆に、低いところへ持っていくには、運ぶのにエネルギーが要るどころか、勝手に落ちて行って、その分が運動エネルギーに変換され、さらにうまくやると、それを電気エネルギーなどに変換もできます(水力発電所はこれをやっている)。それで、そういう他のエネルギーに変換された分、位置エネルギーは減って、マイナスになります。 逆に、基準面まで動かす、という方向で考えると、 高いところにあるものは、さっきのように、その分を他のエネルギーに変換できる可能性がある、つまり、その分大きなエネルギーを持っているので、基準面にあるときに対して、プラス、と考えられ、 (英語では、位置エネルギーのことを、potential energy といいますが、このpotential は、位置と言う意味ではなく、「潜在的」という意味、そこにあるだけで、運動エネルギーのように目には見えないけど、隠れた形でエネルギーを持っている、という感じです) 低いところにあるものは、(プラマイゼロの)基準面まで、(プラスの)エネルギーを使って上げてやらないといけないので、その分、マイナスのエネルギーを持っている、という具合に考えてやります。