位置エネルギーの例

位置エネルギーとは？身の回りの具体例でやさしく解説

はじめに

理科の授業で出てくる「位置エネルギー（いちエネルギー）」という言葉、少しむずかしく感じるかもしれません。でも、実はこのエネルギーは、私たちのまわりの生活の中にたくさんかくれています。この記事では、位置エネルギーのしくみや意味、そして中学生のみなさんにもわかりやすい位置エネルギーの身近な例を紹介しながら、楽しく学んでいきましょう。

位置エネルギーってなに？

エネルギーのひとつのかたち

エネルギーとは、「物を動かしたり、変化を起こしたりする力のもと」です。たとえば、ボールを投げるために使う力や、電気でライトをつける力もエネルギーの一種です。

位置エネルギーとは、「高い場所にある物体が持っているエネルギー」のことです。重力（じゅうりょく）と関係があり、物体が高いところにあるほど、大きな位置エネルギーをもっています。

どうして高いところにあるとエネルギーがあるの？

高いところにある物は、落ちるときにどんどんスピードを上げて落ちていきます。このとき、上にあったときの「位置エネルギー」が、「運動エネルギー」に変わるのです。つまり、物が高い位置にあるとき、すでに「落ちる力のもと」を持っていることになります。

公式で見る位置エネルギー

位置エネルギーの大きさは、次のような公式で表されます。

位置エネルギー（J）＝ 重さ（kg）× 重力加速度（9.8）× 高さ（m）

ここで使われる重力加速度9.8は、地球の引力の強さを表しています。中学生の理科では、おおよそ 10 として計算することも多いです。

たとえば、2kgのボールを3メートルの高さに持ち上げた場合、

2 × 10 × 3 ＝ 60（ジュール）

という位置エネルギーをもっていることになります。

身の回りの位置エネルギーの具体例10選

それでは、私たちの生活の中で見られる位置エネルギーの例を、くわしく見ていきましょう。

① ブランコの一番高いところ

公園のブランコに乗ったとき、一番高く上がった場所ではブランコが一瞬止まります。このとき、スピードはゼロですが、位置エネルギーが最大になっています。そこから勢いよく下におりて、運動エネルギーに変わるのです。

② 階段の上にあるボール

階段のてっぺんにボールを置いたとしましょう。このボールには、落ちたときに転がるためのエネルギー＝位置エネルギーがたまっています。もし手で押せば、ころころと階段を転げ落ちていくはずです。

③ 高いところにある水タンク（ビルの屋上など）

大きなビルの屋上には、水道の水を流すためのタンクがよく設置されています。水は高いところから下に流れるときに勢いがつくので、この水の中には位置エネルギーがあります。このエネルギーを利用して、水を各家庭やトイレに送っているのです。

④ 自転車で坂をのぼるとき

自転車で坂を一生けんめいこいで上ると、つかれますよね。でも、上りきったあとはこがなくてもスーッと下っていくことができます。これは、坂をのぼることで体や自転車に位置エネルギーをためていたからです。

⑤ 雨どいの水の流れ

家の屋根に降った雨は、「雨どい（あまどい）」を通って下に流れます。この流れる力も、雨水が屋根の高い場所にあったときの位置エネルギーを使っているのです。

⑥ バスケットボールのシュート

バスケットボールをゴールに向かって投げたとき、ボールは高く上がってから下がってゴールに入ります。ボールが一番高い位置にあるときが、位置エネルギーの最大です。そしてそこからゴールに向かってスピードを上げながら下がるときは、運動エネルギーに変わっています。

⑦ 時計の振り子（ふりこ）

古い時計などには、振り子がついていることがあります。この振り子も、左右に動いている中で一番高いところにあるときに、位置エネルギーを持っています。そしてそれが動く力（運動エネルギー）に変わることで、時計が動いているのです。

⑧ ローラーコースター（ジェットコースター）

遊園地のジェットコースターは、最初にゆっくり高いところまで登ります。このとき、エネルギーをためている状態です。そして、頂上から一気に下がるときに、たまった位置エネルギーが一気に運動エネルギーに変わり、ものすごいスピードになるのです。

⑨ 滑り台のてっぺんに立つとき

公園にある滑り台を思い出してみてください。階段をのぼって、てっぺんまで行くと、体が高い位置にありますよね。このとき、体には位置エネルギーがたまっています。そして、すべり台をすべり降りると、その位置エネルギーが運動エネルギーに変わって、どんどんスピードが出ていきます。

このように、すべり台の上に立っているときの自分の体にも、見えないけれど確かにエネルギーがあるのです。

⑩ 木から落ちるりんご

昔、ニュートンという科学者が、木からりんごが落ちるのを見て「重力（じゅうりょく）」について考えたといわれています。このように、高いところにあるりんごにも、落ちる前に位置エネルギーがあり、それが運動エネルギーに変わって地面に落ちてくるのです。

位置エネルギーと運動エネルギーの関係

位置エネルギーは、動いていない物が持っている「エネルギーのたくわえ」です。そして、落ちたり、下がったりするときに、そのエネルギーは「運動エネルギー」に変わります。

この2つのエネルギーは、おたがいに変化し合う関係にあります。たとえば、ボールを高く上げると、位置エネルギーが増え、そこから落とすと運動エネルギーに変わります。逆に、地面からボールを上に投げるときは、運動エネルギーが位置エネルギーに変わるのです。

なぜ位置エネルギーを学ぶことが大切なの？

「どうしてこんなことを学ばないといけないの？」と思うかもしれません。でも、私たちの生活の中には、目に見えないエネルギーがたくさんかくれていて、それをうまく使うことで、便利で安全な暮らしができています。

位置エネルギーのことを知っていると、エレベーターのしくみや、ダムの発電方法、水道のしくみなど、社会の中の技術にも興味がわいてくるかもしれません。

おわりに

今回は、「位置エネルギー」について、できるだけやさしく、そして身近な例を使って紹介してきました。

高いところにある物には、それだけで「力のもと（エネルギー）」がたまっています。そして、そのエネルギーは、動きに変わることができる大切な力です。

学校の授業だけでなく、ふだんの生活の中でも、「あ、これって位置エネルギーだ！」と気づくことがあったら、ぜひ観察してみてください。それが、理科をもっと楽しく学ぶ第一歩になります。