基本例題37 水平ばね振り子

設問(1) 単振動の周期 $T$

直感的理解
水平ばね振り子の振動中心はばねの自然の長さの位置です。ばねが縮めば押し戻し、伸びれば引き戻す復元力 $F = -kx$ がはたらくため、物体は自然長の位置を中心に単振動します。周期は振幅に依存せず、ばね定数と質量だけで決まります。

立式:水平ばね振り子の周期の公式を使います。

$$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$$

数値代入:$k = 5.0$ N/m、$m = 0.20$ kg を代入すると:

$$T = 2\pi\sqrt{\frac{0.20}{5.0}} = 2\pi\sqrt{0.040} = 2\pi \times 0.20 = 0.40\pi \fallingdotseq 1.3 \text{ s}$$

(このとき角振動数は $\omega = 2\pi/T = 2\pi/(0.40\pi) = 5.0$ rad/s です。)

答え:
$$T = 2\pi\sqrt{\frac{0.20}{5.0}} = 0.40\pi \fallingdotseq 1.3 \text{ s}$$
Point

水平ばね振り子の周期は $T = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$。振幅に無関係。ばね定数が大きいほど(硬いほど)、質量が小さいほど周期は短い。

設問(2) 加速度の最大値 $a_0$

直感的理解
加速度の大きさが最大になるのは振動の両端($x = \pm A$)です。ばねの伸び/縮みが最大なので復元力も最大になり、加速度も最大になります。一方、振動の中心($x = 0$)ではばねの力はゼロなので加速度もゼロです。$a = -\omega^2 x$ のグラフは原点を通る直線で、これが単振動の特徴です。

立式:単振動の加速度の最大値は $a_0 = A\omega^2$ です。$\omega^2 = k/m$ を代入すると:

$$a_0 = A \cdot \frac{k}{m}$$

数値代入:$A = 0.40$ m、$k = 5.0$ N/m、$m = 0.20$ kg を代入すると:

$$a_0 = 0.40 \times \frac{5.0}{0.20} = 0.40 \times 25 = 10 \text{ m/s}^2$$
答え:
$$a_0 = A \cdot \frac{k}{m} = 0.40 \times \frac{5.0}{0.20} = 10 \text{ m/s}^2$$
別解:$a_0 = A\left(\dfrac{2\pi}{T}\right)^2$ を使う方法

設問(1)で求めた周期 $T = 0.40\pi$ s を使って:

$$a_0 = A\left(\frac{2\pi}{T}\right)^2 = 0.40 \times \left(\frac{2\pi}{0.40\pi}\right)^2 = 0.40 \times 5.0^2 = 0.40 \times 25 = 10 \text{ m/s}^2$$
Point

単振動の加速度の最大値 $a_0 = A\omega^2 = A \cdot \dfrac{k}{m}$。振動の両端(変位最大)で加速度も最大になる。等速円運動の向心加速度と対応している。

設問(3) 力学的エネルギー $E$

直感的理解
単振動では運動エネルギー $\frac{1}{2}mv^2$ と弾性力による位置エネルギー $\frac{1}{2}kx^2$ が互いに変換しあい、その合計(力学的エネルギー)は常に一定です。振動の端では速度がゼロ(全て位置エネルギー)、中心では変位がゼロ(全て運動エネルギー)になります。

立式:力学的エネルギーは位置エネルギーと運動エネルギーの和で、一定です。最も簡単には、振動の端($x = A$, $v = 0$)で計算します。

計算:

答え:
$$E = \frac{1}{2}kA^2 = \frac{1}{2} \times 5.0 \times 0.40^2 = 0.40 \text{ J}$$
別解:$E = \frac{1}{2}mv_{\max}^2$ を使う方法

振動の中心($x = 0$)では全エネルギーが運動エネルギーになるので:

$$v_{\max} = A\omega = 0.40 \times 5.0 = 2.0 \text{ m/s}$$ $$E = \frac{1}{2}mv_{\max}^2 = \frac{1}{2} \times 0.20 \times 2.0^2 = 0.40 \text{ J}$$
Point

単振動の力学的エネルギーは $E = \frac{1}{2}kA^2 = \frac{1}{2}mv_{\max}^2 = 2\pi^2 m f^2 A^2$ と表される。振幅の2乗に比例し、常に一定に保存される。