教科書(物理) 問27:ばね振り子の周期

解法

直感的理解

ばねが硬い(\(k\) が大きい)ほど速く引き戻されて周期が短くなる。質量が大きい(\(m\) が大きい)ほど動きにくく周期が長くなる。\(T \propto \sqrt{m/k}\) はこの直感に一致する。

ばね定数 \(k = 50\) N/m、質量 \(m = 2.0\) kg の水平ばね振り子の周期を求める。

水平ばね振り子の運動方程式:

これは \(a = -\frac{k}{m}x\) の形なので、\(\omega^2 = \frac{k}{m}\) の単振動である。

周期の公式に代入:

数値例:質量 2.0 kg の物体が高さ 5.0 m から落下すると、位置エネルギーの減少は \(mgh = 2.0 \times 9.8 \times 5.0 = 98\) J。地面での速さは \(v = \sqrt{2gh} = \sqrt{2 \times 9.8 \times 5.0} = \sqrt{98} \fallingdotseq 9.9\) m/s です。

関連する基本公式:

$$ E_k = \frac{1}{2}mv^2 $$ $$ E_p = mgh $$
答え
$$T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}} = 2\pi\sqrt{\frac{2.0}{50}} \fallingdotseq 1.3 \text{ s}$$
📐 補足:力学的エネルギー保存の条件

保存力(重力・弾性力)のみが仕事をする場合、力学的エネルギーは保存されます。摩擦力や空気抵抗などの非保存力が仕事をすると、その分だけ力学的エネルギーは減少し、熱エネルギーなどに変換されます。

Point

ばね振り子の周期は振幅に依存しない(等時性)。ばねを大きく伸ばしても小さく伸ばしても、1往復の時間は同じ。