質問: 運動エネルギーが摩擦により熱エネルギーに変換させることについて 運動エネルギーが摩擦により減少するのは、摩擦力が仕事をしたためであると思っておりました。その際に摩擦により熱が発生することはイメージできるのですが、なぜ摩擦により熱が発生するのかその理由がわかりません。 質問1:摩擦により運動エネルギーが減少するのは、(1)摩擦力による仕事のため、(2)熱が発生するため という理解で宜しいのでしょうか? 質問2:なぜ、摩擦により熱が発生するのかその理由がわかりません。木と木をこすり合わせても熱が発生しますよね。木の場合、こすり合わせることで細胞が分子運動をするということなのでしょうか? おかしな質問かもしれませんが、どうか宜しくお願い致します。
回答: まず、エネルギーの移動という観点から考えれば、摩擦という現象は、 物体の運動エネルギーが熱や音のエネルギーに変換されて減少していく、 ということが全てです。 「摩擦力」というのは、そのようなエネルギー変換の過程で物体に加わる力を、 すべてまとめて(合成して)一つの力として表したものです。 実際に摩擦力を構成する個々の力は、例えば粗い床の上を物体がすべる場合なら、 床を構成する分子のそれぞれが物体に及ぼす力です。 それらの合力が「摩擦力」として観察されるわけです。 また、「摩擦力のする仕事」というのは、そのエネルギー変換の過程で、 (上述の例で言えば)物体から床へ受け渡されたエネルギーを 一つにまとめて表したものです。 それぞれの分子は物体に力を及ぼすと同時に、反対向きで同じ大きさの力を 物体から受けます(作用反作用の法則ですね)。 その力によって個々の分子は仕事をされ、運動エネルギーを持つようになります。 このようにして分子へと受け渡された運動エネルギーを、ひとつにまとめて 「摩擦力による仕事」と呼ぶわけです。 以上を踏まえて質問に答えると、 >質問1:摩擦により運動エネルギーが減少するのは、(1)摩擦力による仕事のため、(2)熱が発生するため という理解で宜しいのでしょうか? 上記のように、これら二つは同じ現象を違う視点から述べたものに過ぎません。 摩擦力の実体は床を構成する分子の力なのですから、「摩擦力が負の仕事をした」 というのは「床を構成する分子が正の仕事を受けた」というのと同義です。 仕事を受けた床の分子は運動エネルギーを得、それが熱として観察されるわけです。 >質問2:なぜ、摩擦により熱が発生するのかその理由がわかりません。木と木をこすり合わせても熱が発生しますよね。木の場合、こすり合わせることで細胞が分子運動をするということなのでしょうか? まず、後半についてはそのとおりです。 (正しくは「細胞が」ではなく「細胞を構成する分子が」ということですが) 前半については、もうここまでくればお分かりでしょうが、 「摩擦により熱が発生する」のではなく、上述のエネルギー移動現象全体が「摩擦」であり、 その摩擦現象の一部分が、床を構成する分子の運動エネルギーの増加、すなわち「熱の発生」なわけです。 「摩擦」と「熱の発生」は原因・結果の関係にあるのではなく、 摩擦という現象を構成する一部分が「熱の発生」だということです。