この実験について
理想的なばねにおもりを吊るし、どれだけ伸びるかを測定します。力と伸びの点を順に記録した後、ばねの剛性を変えて傾きを比較します。ばねの図は平衡位置を示しており、おもりが静止するまでの動きは示していません。
学習目標
- 平衡状態における吊り下げたおもりの重さとばねの伸びの関係
- 力と伸びのグラフの傾きからばね定数を求める
- 伸ばしたばねに蓄えられるエネルギーを計算する
使い方
- 1ばね定数を20 N/mに保ちます。質量をゼロにして、その点を記録します。
- 2質量を0.50、1.00、1.50 kgに増やし、それぞれの力と伸びを記録します。
- 3ゼロでない各点について、力を伸びで割って計算します。選択したばね定数と比較します。
- 4記録した点をそのままにしてばね定数を上げ、新しい直線を元の測定値と比較します。
モデル
前提条件
- ばねの質量はなく、表示されているすべての伸びに対して線形の力の法則に従います。実際のばねには弾性限界があります。
- 表示される各状態は静的なつり合い状態です。振動や減衰はシミュレーションされません。
- つり下げられた質量は点荷重であり、重力は9.8 N/kgで一様です。
授業で試してみましょう
- Q1ばね定数が20 N/mのとき、1 kgの質量による伸びはどれくらいですか？
- Q2質量を一定にしたまま剛性が2倍になると、伸びと蓄えられるエネルギーはどうなりますか？
- Q3曲線状の実験的な力と伸びのグラフから、このモデルの限界をどのように読み取れますか？
よくある質問
剛性の高いばねほど、グラフの傾きは大きくなりますか？
はい。力を縦軸、伸びを横軸にとるので、傾きは剛性 k（N/m）です。
シミュレーションのばねは、なぜこれほど大きく伸びるのですか？
これは弾性限界のない理想的な線形モデルです。実際のばねは、大きく伸びる前に永久変形したり、破損したりすることがあります。