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:
$$ E_k = \frac{1}{2}mv^2 $$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。
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。