高校生の物理 運動2 変形(1) M-105 No300
2011年7月14日(木)
一平 エキスパンダーがありますね。
先生 引いてみるかね。
一平 5本ではとても引けません。
和美 3本にしたら。
一平 そうしよう。それでは、ソーレッ、どうやら引けた。
和美 今度は私の番、セーノッ
と、とても駄目だ。
一平 それでは2本にしたら。
和美 そうします。では行きますよ。ウーン。初めのうちは楽だけど、だんだんきつくなって…
先生 エキスパンダーを引くときには、だんだん大きな力で引かなければならいんだね。注射器を引く場合とは異なる。
一平 そうすると、同じエキスパンダーを引っ張っても、子どもより大人の方が大きい力がいるんだ。
和美 どうして?
一平 大人の方が腕を伸ばした時の長さが長いもの。
和美 そうか。長く伸ばすには大きい力が必要なんだ。だけど、バネを並列に増やしても大きい力が必要なんだね。
一平 ばねを直列にしたら、長くなって手では引けないが、おもりでなら引けるね。
和美 ばねの強さについては、同じだけ伸ばすのに ①より大きな力は必要 ②小さい力ですむ ③同じ力でよい
のどれかということ。
同じ力で引いたら ①伸びは小さい ②伸びは大きい ③伸びは同じ のどれか、ということにないます。
一平 やってみよう。手じゃ駄目で…、おもりを吊します。
先生 ばねを二階の手すりから吊して、漬け物のおもしを下げたらどうかな。
和美 それでは、一平さんのやり方にします。エキスパンダーのバネをつなぎ変えますよ。
一平 先生、漬け物石と巻き尺を貸してください。さあ、用意できたぞ。では、１本から始めよう。
先生 私には出る幕がないから、その間にコーヒーでもいれるとしよう。
一平 先生、結果が出ました。同じ力でバネを引くときに、直列の場合には伸びはバネの数に比例します。ついでに、並列の場合もやってみました。まとめると…
和美 “同じ力で引いたときのバネの伸びは、並列的には本数に反比例し、直列的には本数に正比例する”
先生 うまく法則にまとめたね。ところで、このことは、物質全体についていえるだろうか。
一平 輪ゴムではいえると思うけど…
和美 力を加えて伸びるものは、他にみつからないから…
先生 銅の棒でも、プラスチックのパイプでも、力を加えれば伸びたり縮んだりするんだよ。ただ、その伸び縮みは小さいので見えていないだけさ。
和美 そうか、大きいか小さいか、だけのことなんだ。
先生 今、出てきたものは、エキスパンダー、輪ゴム、銅の棒、プラスチックのパイプなど＜品物＞とか＜材料＞と呼ばれるものだね。もっと一般にいうときには、鉄とか銅とかゴムとかプラスチックという＜物質＞について考えるのがいいのだね。
一平 エキスパンダーで並列、直列というのは、物質でいえば太さ、長さということになりそうですね。
和美 そうすると、“同じ力で引いたときの物質の伸びは、長さに比例し、太さに反比例する”といえそうです。
一平 太さと長さが同じであっても、鉄とプラスチックでは伸びの大きさが違うよ。
先生 物質の性質で違ってくる。伸びに関する物質の特性があるんだね。伸びやすいものと伸びにくいものがある。
和美 鉄は伸びにくく、ゴムは伸びやすいく、プラスチックはその間ですね。銅はどこに入るかしら。
先生 力を加えるとどんなものでも変形する。しかし、変形は伸びや縮みだけではなくて、その他にもいろいろなタイプがある。机の上に空のコーヒーカップを二つ並べて、その上に30センチのプラスチックの物差しを横たえる。物差しの中央にもう一つのコーヒーカップを載せて水を注ぐと、プラスチックの物差しが曲がるのがわかる。そして、力を取り去ると元に戻る。曲げの変形だね。
一平 この場合にも、曲がり方の大きさが力に比例しそうですね。
先生
一平くんの予想通りだ。
和美 簡単に実験できそうですね。ものさしの中央に切り餅を１個、２個、３個と重ねていけば実験になる。
一平 和チャン、謎をかけたんじゃないかな。切り餅を例にあげたりして。それはともかくとして、“すべての物質は力を加えると変形し、変形の大きさは加えて力に比例する”ということになりそうです。
和美 コピーライター的に言うと“固体はみんなバネである”ということになりますね。
一平 前に実験した注射器に閉じこめた空気もバネのようでした。“閉じこめた空気はバネである”といえるでしょう。
和美 液体はだめなの？
先生 液体の物質は圧縮されないといわれているが、それは圧縮しにくいということで“閉じこめられた液体は固いバネである”ということになる。
一平 これは物質についてのことで、それで材料をつくると、別の特徴が出てきます。
和美 同じ物質でも、板、棒、パイプ、などにすると、変形しやすくなったり、しにくくなったがりします。エキスパンダーのようなバネは何といいうのかしら。
先生 つるまきバネだね。
一平 つるまきバネにすると、固体は伸び縮みしやすくなるんだ。
和美 電車のレールの形もあるし、波板もあるし、球形や卵形もあるよ。
一平 竹の構造もそれに関係するね。
和美 動物の骨や角もそんなものでしょ。
先生 同じ材質でも、その形によっても、変形の大きさを変えることができるんだ。
