教科書(物理) 問28:水平ばね振り子(連結ばね)

解法

直感的理解

物体を右にずらすと、右のばねは縮んで左に押し返し、左のばねは伸びて左に引き戻す。どちらのばねも同じ方向に力を出すので、合成復元力は両方の和 \((k_1 + k_2)x\) になる。ばねが硬い(\(k\) が大きい)ほど周期は短い。

なめらかな水平面上に置いた質量 \(m\) の小球の両側に、ばね定数 \(k_1\)、\(k_2\) のばねを連結し、もう一端を壁に固定する。

復元力の計算

つりあい位置から右に \(x\) だけずらすと:

合計の復元力:

$$ F = -(k_1 + k_2)x $$

よって合成ばね定数は \(k = k_1 + k_2\)。

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:

$$ E_k = \frac{1}{2}mv^2 $$
答え
$$ T = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k_1 + k_2}} $$
補足:直列と並列の違い

並列(両側から挟む):同じ変位に対して力が加算 → \(k = k_1 + k_2\)

直列(ばねを縦につなぐ):同じ力に対して伸びが加算 → \(\dfrac{1}{k} = \dfrac{1}{k_1} + \dfrac{1}{k_2}\)

この問題は並列のケース。

Point

ばねの並列合成は \(k = k_1 + k_2\)。「物体を \(x\) ずらしたとき、各ばねからの力を足す」と考えれば自然に導ける。