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半分に切ったばねは硬くなる(フックの法則とばね定数)

ばねを引くと、引いた長さに比例した力で戻そうとします。 倍伸ばせば 倍の力、 倍なら 倍。この比例関係がフックの法則です[3]。

は自然の長さからのずれ、 はばねの硬さを表す定数。負号は、力が変位と逆を向くことを示しています。伸ばせば縮む向きに、縮めれば伸びる向きに働く。

ばね定数はばねの硬さそのもの

をばね定数といい、単位は N/m です[2]。 伸ばすのに何 N 要るか、という読み方になる。

が大きいほど硬いばね。同じ力をかけても、 が 倍なら伸びは半分になります。

値は材質と形で決まる。太い針金を使えば硬くなり、巻き数を増やせばやわらかくなります[1]。

例:ばねばかりの伸びを出す

のばねに、質量 のおもりを吊るします。つり合いの位置では、ばねの力と重力が等しい。

伸びます。おもりを 倍にすれば伸びも 倍で、 になる。

ばねばかりの目盛りが等間隔なのは、この比例のおかげです。目盛りが詰まったり広がったりしていたら、比例していない証拠になる。

比例が成り立つのは限界の内側だけ

フックの法則は、どこまでも成り立つわけではありません[2]。引きすぎると比例から外れ、さらに引くと元の長さへ戻らなくなる。

比例が崩れ始める点を比例限界、手を離しても戻らなくなる点を弾性限界といいます。弾性限界を超えた変形は残ってしまう。

伸びきったばねばかりが使い物にならないのは、この線を越えたからです。

ばねにたくわえられるエネルギー

グラフの直線の下にできる三角形の面積が、ばねにたくわえられたエネルギーです。底辺 、高さ の三角形になる。

伸びの 乗で増えます。 倍伸ばせばエネルギーは 倍。力が 倍になり、その力で動かす距離も 倍になるためです。

例:ばねにためたエネルギー

のばねを 伸ばした場合を計算する。

手を離せば、この が運動エネルギーへ移ります。おもちゃのばね鉄砲が飛ぶのは、この受け渡しが起きているから。

2 本を横に並べると硬くなる

本のばねを横に並べ、同じ物体を支えさせます。どちらのばねも同じだけ伸びる形になる[4]。

伸びを とすると、それぞれが出す力は と です。合計が全体の力になる。

つまり合成されたばね定数は、単純な足し算です[4]。

本あたりが受け持つ力が減るので、全体としては硬くなる。この並べ方を並列といいます。

縦につなぐとやわらかくなる

今度は 本を縦につなぎ、下端におもりを吊るします。上のばねも下のばねも、同じ大きさの力で引かれる[4]。

それぞれの伸びは と で、全体の伸びはその和になります。

と見比べると、逆数どうしの足し算になっている[1]。

伸びる場所が増えるので、全体はやわらかくなります。このつなぎ方を直列という。

例:同じばね 2 本を組み合わせる

のばねを 本使います。並列なら で 。

直列は逆数で足す。

のおもりを吊るすと、 本なら 、並列なら 、直列なら 伸びます。

並列(横に並べる)

伸びが共通で、力を分け合う。ばね定数は足し算になり、全体は硬くなる

直列(縦につなぐ)

力が共通で、伸びを足し合わせる。逆数が足し算になり、全体はやわらかくなる

どちらも「共通なのはどちらの量か」を見れば導けます。並列は伸び、直列は力。ここさえ押さえれば、式を覚えていなくても組み立てられる。

半分に切ると硬くなる

ばねを半分に切ると、ばね定数は 倍になります[1]。直列の式を逆にたどると分かる。

長さ のばねは、長さ のばね 本を直列につないだものと同じ。だから で、 になります。

長さとばね定数は反比例する。同じ針金でも、短く巻けば硬く、長く巻けばやわらかくなります。

ばね定数は、材料の硬さだけでなく巻き数と針金の太さで決まります。同じ材質でも、細い針金をたくさん巻けばやわらかいばねになる。

コイルの輪の数。増やすほど変形できる場所が増えるので、ばね定数は小さくなる。

例:長さを 3 倍にする

同じ針金を 倍の長さに巻き直すと、ばね定数は になります。

のばねなら です。同じおもりで伸びは 倍になる。

台ばかりのばねが太くて短いのは、大きな荷重でも縮みすぎないようにするため。

つないだばねの見分け方

ばね定数 と のばねを縦につなぎ、下端に のおもりを吊るします。全体の伸びはいくらですか。

__RESULT__

縦につなぐと、どちらのばねも で引かれます。伸びは と で、和は 。合成ばね定数 から と計算しても同じ値になります。ばね定数を足して とすると並列の式なので合いません。

参考

More on the Spring Constant - Physics LibreTexts, General Physics I
Federkraft - Physik Libre
La loi de Hooke - Alloprof
Springs in Series and Parallel - Idaho State University
ばねが返す力は伸びに比例し、その比例の傾きがばね定数。$k = 20\ \mathrm{N/m}$ のばねに $0.50\ \mathrm{kg}$ を吊るせば $25\ \mathrm{cm}$ 伸び、そのとき $0.63\ \mathrm{J}$ がたくわえられます。横に $2$ 本並べると伸びが共通なので定数は足し算、縦につなぐと力が共通なので逆数が足し算になる。長さとばね定数は反比例するため、切って短くしたばねはかえって硬くなります。比例が崩れる比例限界と、手を離しても戻らなくなる弾性限界の違いまで。