応用問題170 ばねによる円錐振り子

設問(1) 力のつりあいの式

直感的理解
糸の代わりにばねを使った円錐振り子です。ばねの弾性力が糸の張力に対応しますが、ばねは伸びるため「長さが自然長 + 伸び」になる点が異なります。回転する観測者から見ると、弾性力・重力・遠心力の3力のつりあいです。

立式:ばねの長さは \(l + x\) なので、弾性力の大きさは \(k(l + x)\) ではなく \(kx\) です(自然長からの伸び分だけ)。

ただし注意:回転半径は \(r = (l + x)\sin\theta\) です。

回転する観測者から見たつりあい:

水平方向:弾性力の水平成分 = 遠心力

$$ kx\sin\theta = m(l + x)\sin\theta \cdot \omega^2 \quad \cdots (1) $$

\(\sin\theta \neq 0\) で割ると:

$$ kx = m(l + x)\omega^2 \quad \cdots (1') $$

鉛直方向:弾性力の鉛直成分 = 重力

$$ kx\cos\theta = mg \quad \cdots (2) $$
答え:
水平方向:\(kx = m(l + x)\omega^2\)
鉛直方向:\(kx\cos\theta = mg\)
Point

ばねの弾性力は自然長からの伸び \(kx\)。回転半径は \(r = (l + x)\sin\theta\)。この2点が糸の円錐振り子との違い。

設問(2) ばねの伸び \(x\)

直感的理解
鉛直方向のつりあいだけで \(x\) が求まります。角度 \(\theta\) が大きいほどばねの伸びが大きくなる(\(\cos\theta\) が小さくなる)ことが分かります。

計算:式(2)より:

答え:
$$x = \frac{mg}{k\cos\theta}$$
Point

鉛直成分のつりあいからばねの伸びが決まる。\(\theta\) が大きいほど伸びが大きくなる。

設問(3) 円運動の周期 \(T\)

直感的理解
周期は式(1)から \(\omega\) を求めて \(T = 2\pi/\omega\) で計算します。ばねが硬いほど(\(k\) が大きいほど)周期は短くなり、質量が大きいほど周期は長くなります。

計算:式(1')より \(\omega^2 = \dfrac{kx}{m(l+x)}\)、\(T = \dfrac{2\pi}{\omega}\) なので:

$$ T = 2\pi\sqrt{\frac{m(l+x)}{kx}} $$

\(x = \dfrac{mg}{k\cos\theta}\) を代入すると:

$$ l + x = l + \frac{mg}{k\cos\theta} = \frac{kl\cos\theta + mg}{k\cos\theta} $$ $$ \frac{m(l+x)}{kx} = \frac{m \cdot \dfrac{kl\cos\theta + mg}{k\cos\theta}}{k \cdot \dfrac{mg}{k\cos\theta}} = \frac{m(kl\cos\theta + mg)}{k \cdot mg} = \frac{kl\cos\theta + mg}{kg} $$

したがって:

答え:
$$T = 2\pi\sqrt{\frac{kl\cos\theta + mg}{kg}}$$
補足:慣性系からの解法

慣性系(地上)から見ると、ばねの弾性力の水平成分が向心力を担います:\(kx\sin\theta = m(l+x)\sin\theta \cdot \omega^2\)。遠心力の代わりに運動方程式を立てますが、結果は同じです。

Point

ばねの円錐振り子では、水平方向の式から \(\omega\) を、\(T = 2\pi/\omega\) から周期を求める。\(x\) の式を代入して整理する。

数値例で確認

上で導いた結果に具体的な数値を代入し、計算の流れを確認します。

\(m = 0.50\) kg, ばね自然長 \(l_0 = 0.40\) m, ばね定数 \(k = 20\) N/m, \(\theta = 30°\), \(g = 9.8\) m/s\(^2\) とする:

ばねの伸び \(x\): 水平方向 \(m r \omega^2 = k x \sin\theta\), 鉛直方向 \(k x \cos\theta = mg\):

$$kx = \frac{mg}{\cos\theta} = \frac{0.50 \times 9.8}{0.866} \fallingdotseq 5.66 \text{ N}$$ $$x = \frac{5.66}{20} \fallingdotseq 0.283 \text{ m}$$ $$\omega = \sqrt{\frac{g \tan\theta}{r}} = \sqrt{\frac{9.8 \times 0.577}{(l_0+x)\sin\theta}} \fallingdotseq 6.6 \text{ rad/s}$$
Point

記号の式に具体的な数値を代入することで、オーダー (桁) と単位を同時に検算できる。入試でも概数での検算は有効。