重さを測る「ばねばかり」とフックの法則

フックの法則とばねばかり 中1理科

重い物、軽い物、世の中の物質には必ず「重さ」がありますよね。紙や微生物にも、必ず「重さ」があります。

重さの正体は、物体にかかる重力のことでした。重い物や人は、重力がたくさんかかっているのです。

重さとは、物体にかかる重力のこと

この重力こそ、私たちが「重さ」と呼んでいるものです。

重さを測る「ばねばかり」

その重さを測るために、「ばねばかり」という装置があります。1770年ごろにイギリスで発明されたらしいです。

ばねがたくさんある、という意味の「ばねばかり」ではなく、「ばね測り」です。

重さを測りたいものを引っ掛けて吊るし、「バネがどれくらい伸びたのか?」を確認することで、重さを計測します。

例えば、消しゴムをばねばかりに引っ掛けたとします。

このバネの伸び具合を計測して、消しゴムの重さを測ります。単位はN(ニュートン)。

例えば、ばねばかりで [2N] の数字が出ていれば、この消しゴムには 2N の重力がかかっていることが分かります。2Nなので、消しゴムは 約200g だということになりますね。

ばねばかりの仕組み
ばねの伸びにしたがい、重さ(N) が分かる

もう少し、この「ばねばかり」について説明します。

フックの法則

物理学の天才といえば、力や重さの単位になっているニュートンが超有名です。あとはアインシュタイン。

世界中の物理学者の憧れ、ニュートンとアインシュタイン

しかし!実はニュートンと同じ時代に、それに負けないくらい偉大な研究者がいました。

それがロバート・フックです。

ロバート・フック 1635~1703

彼は物理学にとどまらず、生物学などにも素晴らしい業績を残しています。現在でも皆が使っている “細胞(cell)” という言葉は彼の研究により生まれた言葉です。

実験道具の開発などにもトップクラスの才能がありました。


そんなフックは、力に関する自らの研究で、

「バネに加わる力は、バネの伸びと比例するよ!」

ということを発見しました。

つまり、力を加えれば加えるほど、バネは比例して伸びるよということです。

例えば、1Nの重さの消しゴムを吊るしたとき、 5cm 伸びるバネがあったとします。

その場合、2Nの重さの消しゴムを吊るせば、バネは 10cm 伸びることになります。

フックの法則

1N で 5cm 伸びるなら、2N で 10cm 伸びます。3N では 15cm 伸びます。

これを表にしてみます。

フックの法則
力の大きさ(重さ)1N2N3N4N5N
バネの伸び5cm10cm15cm20cm25cm

力の大きさが 1N → 2N と2倍になれば、バネの伸びも 5cm → 10cm と2倍になります。

1N → 3N と3倍になれば、バネの伸びも 5cm → 15cm と3倍になります。つまり、力の大きさとバネの伸びは比例関係にあります。これがフックの法則

摩擦力や弾性力など、日常にはたらく不思議な「力」で学んだように、バネが元にもどろうとする力も弾性力といいます。

なので、フックの法則も「弾性の法則」と呼ぶことがあります。

N(ニュートン)は、重さの単位であるのと同時に、力の単位でもあります。


なので例えば、1N で 5cm 伸びるバネを壁にひっつけて、手で 15cm 伸ばしたとすると「バネに 3N の力を加えた」ということになります。

ニュートンとフックの法則

体重計は、フックの法則を利用している

フックの法則を学べば、「どうやって重さや力を測るのか」を理解できます。

例えば 1N で 3cm 伸びるばねばかりがあるとします。フックの法則を使い、そのバネの力と伸びの関係を表にしましょう。

力の大きさ(重さ)1N2N3N4N
バネの伸び3cm6cm9cm12cm

1N で 3cm 伸びるということは、フックの法則によれば、2N で 6cm 伸びるということです。

例えば、ばねばかりのバネが 9cm 伸びたなら、「ああ、この物体は 3N の重さなんだな」と分かるわけです。

フックの法則の使い方

同じように、このばねばかりのバネが 12cm 伸びれば、この物体の重さは 4N であることが分かりますし、30cm 伸びれば 10N ですね。

物体の重さは、こうやって計測しています。

実際、体重計や計量器はフックの法則を利用しています

フックの法則を利用した体重計や計量器
フックの法則の応用例

これらの機械の中には、バネが組み込まれています

バネの伸びに従って、重さを表示してくれます。フックの法則は生活にとても大切な原理なのです。

最近の最新式の体重計は、もう少し技術的な方法で体重を測っています。

フックの法則、一見簡単で当たり前のことを言っているように聞こえますが、実際はもっと複雑な計算ができますし、重さを測る以外にも様々なことに応用されています。


バネで説明していますが、本来フックの法則弾性力を持った物質 (木材、金属など) なら応用できます。あなたの住んでいる家も建築のための計算にも、フックの法則はとっても大切なのです!

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