Experiment

Q2-1
Japanese (Japan)

ポリマー⽷の粘弾性（10 点）実験の開始まで⽷に⼒を加えないように注意せよ。
すぐにはかりのスイッチを⼊れよ（温まるまでに約 10 分かかる）。はかりの設定を変えるな。

イントロダクション
固体の物質に外⼒がかかると変形する。加えた⼒が⼩さければ変形は⼒に⽐例し（フックの法則），変形は可逆であり，⼒が取り除かれると物質はもとの形状に戻る。
固体では，応⼒と変形の概念を⽤いてより便利に記述される。応⼒ 𝜎 は，⼒ 𝐹 を⼒がかかる⾯の⾯積 𝑆 で割ったものとして定義される。⼀⽅，変形 𝜖 は⻑さの相対的な変化で定義される。
𝜎=𝐹𝑆,

𝜖=

ℓ − ℓ0ℓ0,(1)ここで，ℓ と ℓ0 はそれぞれ変形後，変形前の⻑さである。単純な弾性体の挙動では，応⼒は 𝜎 = 𝐸 𝜖 のように単に変形に⽐例し（フックの法則），⽐例係数 𝐸 はヤング率と呼ばれる。
フックの法則で表される弾性体の挙動は，⼗分⼩さい変形でのみ有効な近似である。より⼤きな変形では，プラスチック領域に達するとともに変化は徐々に不可逆になる。そのような場合，分⼦の運動は束縛されなくなり始め，粘性流体の運動に似てくる。つまり，弾性限界を超えて伸ばされたり押し込められると，物質は漸近的に流体になる。

粘弾性物質
ある種の物質は弾性体の特徴と粘性流体に似た特徴をあわせ持ち，「粘弾性」として知られている。
そのため，粘弾性物質を扱う上で，純粋に弾性的なふるまいと追加の粘性的なふるまいを分けて考えるのがよい。つまり，与えられた変形 𝜖 を起こす全応⼒ 𝜎 は，純粋な弾性項 𝜎0 = 𝐸0 𝜖0 と粘弾性項 𝜎1 の和である。
𝜎 = 𝜎0 + 𝜎1(2)両⽅の応⼒項が同じ変形 (𝜖 = 𝜖0 = 𝜖1 ) に対応すると仮定されている。しかし，粘弾性項に対応する変形𝜖1 は通常、純粋な弾性変形 𝜖e1 = 𝜎1 /𝐸1 と純粋な粘性変形 𝜖v1 の和としてモデル化される (共に共通の応⼒
𝜎1 = 𝜎1e = 𝜎1v によって⽣じる):
𝜖1 = 𝜖e1 + 𝜖v1(3)

純粋な粘性過程では，（粘性流体で⾒つかったことと同様に）応⼒と変形の時間微分の間に線型関係が認められる。
𝜎1 = 𝜂1d𝜖v1,d𝑡

ここで，𝜂1 は粘性係数である。
この現象論的なモデルは，線型粘弾性の「標準線型固体モデル」と呼ばれ，図 1 に描かれている。ばねは純粋な弾性成分を表し，ポットは純粋な粘性成分を表す。

Experiment

Q2-2Japanese (Japan)

図 1. 線型粘弾性の標準線型固体モデル
上の⽅程式から，次の関係式が得られる。
d𝜖11 d𝜎1𝜎=+ 1d𝑡
𝐸1 d𝑡𝜂1(4)

そのため，粘弾性の標準線型モデルでは，次の式が⽰される。
𝜎 = 𝐸0 𝜖 + 𝜏1 (𝐸0 + 𝐸1 )d𝜖d𝜎− 𝜏1d𝑡d𝑡(5)ここで，𝜏1 = 𝜂1 /𝐸1 。この微分⽅程式は，応⼒と変形の関係はもはや線型ではなく，応⼒と変形はともに時間の⼀般関数であることを⽰している。𝜖(𝑡) を得るには，関数 𝜎(𝑡) を特定する必要があり，逆もまたそうである。
２つの特別な場合，d𝜖/d𝑡 = 0 と d𝜎/d𝑡 = 0 に実⽤的な興味がある。それぞれ「応⼒緩和条件」と「クリープ条件」として⼀般に知られている。応⼒緩和条件では，突然応⼒が加えられ，ある時間にわたって⼀定に保たれる (d𝜖/d𝑡 = 0)。そのような場合では，関数 𝜎(𝑡) は媒質の粘弾性パラメータにのみ依存し，式 (5) の解は，𝜎(𝑡) = 𝜖(𝐸0 + 𝐸1 e−𝑡/𝜏1 )(6)

ここで，𝑡 = 0 では弾性成分のみが応⼒に寄与すると仮定し，よって 𝜎(𝑡 = 0) = 𝜖(𝐸0 + 𝐸1 ) であるとする。この解は，粘弾性応⼒は時定数 𝜏1 で時間とともに指数関数的に減衰することを⽰している。
多重粘弾性過程
標準線型モデルは，図 2 に⽰されるように，多くの粘弾性過程を含む模型に拡張できる。

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Q2-3Japanese (Japan)

図２．多重粘弾性過程の⼀般化モデル
よって，𝑁 個の異なる粘弾性成分を考えると，𝜎 = 𝜎0 + ∑ 𝜎𝑘 ,𝑘 = 1, 2, ⋯ , 𝑁(7)𝑘𝑘 = 1 d𝜎𝑘 + 𝜎𝑘 であり，上と同様に， d𝜖0 = d𝜖𝑘 = d𝜖
ここで d𝜖𝜂𝑘
𝐸 d𝑡d𝑡d𝑡d𝑡d𝑡𝑘

式 (5) を次のように⼀般化できる。
𝜎 = 𝐸0 𝜖 + 𝜂𝑡d𝜖d𝜎− ∑ 𝜏𝑘 𝑘 ,d𝑡d𝑡𝑘𝑘 = 1, 2, ⋯ , 𝑁(8)ここで，𝜂𝑡 = ∑𝑘 𝜂𝑘 ，𝜏𝑘 = 𝜂𝑘 /𝐸𝑘 。
変形が定数であるという条件では，様々な粘弾性応⼒が 𝜎𝑘 = 𝐴𝑘 e−𝑡/𝜏𝑘 のように時間とともに指数関数的に減衰する。このことから次の解が導かれる。

𝜎(𝑡) = 𝜖 (𝐸0 + ∑ 𝐸𝑘 e−𝑡/𝜏𝑘 ) ,𝑘 = 1, 2, ⋯ , 𝑁(9)𝑘

ここで，𝑡 = 0 では弾性成分のみが全応⼒に寄与し，そのため 𝜎0 = 𝜖(𝐸0 + ∑𝑘 𝐸𝑘 ) であることを仮定した。その結果現れる粘弾性応答は明らかに⾮線型になる。

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Q2-4Japanese (Japan)装置

次の装置はこの実験問題で⽤いるものである（図 3 を⾒よ）。
1. レーザーポインターを取り付け，上部に⽷を取り付けてはかりの上で⼀定の変形を保って垂直に引っ張られるようにするスタンド１台
2. おもりセット（真ん中がへこんだ円柱状のおもりと⽷を取り付ける指⽰ねじ）１つ
3. ⼀⽅におもりセットが取り付けられ，もう⼀⽅が上部の⽀えから⽷をつるすために指⽰ねじにつけてある⻑い thermoplastic polyurethane (TPU) ⽷１本
4. 短い TPU ⽷１本
5. レーザーポインターとその⽀え１組
6. 電⼦てんびん１台
7. 平⾯鏡２台
8. ストップウォッチ１つ
9. 定規１つ10. ⾦属製の巻き尺１つ11. スクリーンとして⽤いる A4 ⽤紙１枚
12. レーザーを⽀え，電源をつけるための洗濯ばさみ１つExperiment

Q2-5
Japanese (Japan)

図３．この実験問題で⽤いる装置

Experiment

Q2-6
Japanese (Japan)

Part A: 応⼒緩和測定 (1.9 点)
⽷には実験の前に応⼒がかからないように注意すること！ 不⽤意にも応⼒をかけてしまった場合は，予備のものと取り換えてもらうこと。ただし，この交換作業には時間がかかるので，実験時間が減ってしまうことに留意すること。
この Part Ａの測定を始める前に“Part Ｄ：データ解析”の指⽰を注意深く読み，Part Ａの測定⽅法に活かすこと。

A.1

応⼒を加えていない⽷のねじ頭間の⻑さを測定せよ。⽷の全⻑ ℓ0 を得るためには， 0.3pt
ねじの中の⽷の⻑さ 5 mm の２倍を加えなさい。解答⽤紙に ℓ0 の測定値とその不確かさの値を記⼊しなさい。

A.2

おもりセットの全重量 𝑃0 を gf（g 重）の単位で測定しなさい。なお，1 gf とは，質量 1 g の物体の重さを⽰す（1 gf = 9.80 × 10−3 N）。解答⽤紙に測定値と不確かさについて⾒積もった値を記⼊しなさい。

0.3pt

緩和の影響を観測するためには，応⼒を与える時間を⼗分にとる必要がある。この測定の場合，約 45 分は応⼒を加え続けなければならない。

ここからは，⼆つの操作１と２を同時に実施する。開始前に説明を注意深く読むこと。
重要：もし，何らかの原因で実験が中断してしまった場合は，そのまま継続することはできず，新しい⽷を⽤意して最初からやり直さなければならない。もしそうなってしまった場合は，予備のものと取り換えてもらうこと。

以下の操作を同時に⾏うこと。
1. おもりセットを電⼦てんびんの上に載せたまま，⽷の他端のねじをスタンドに取り付ける（図４）。
2. ストップウオッチによる時刻測定を１．と同時に開始する。

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Q2-7Japanese (Japan)

図４．⽷を⽀持システムに配置すると同時に測定を開始する。
A.3

約 45 分間，電⼦てんびんの値 𝑃 (𝑡) を時刻 𝑡 とともに解答⽤紙に記録せよ。

1.0pt

A.4

⽷の⻑さ ℓ を測定するとともに，不確かさを⾒積り，解答⽤紙に記録せよ。

0.3pt

Part B：伸びた⽷の直径の測定 (1.3 点)
レーザーを直視しないこと！ また，測定時以外は電源を切ること。
回折模様がうまく⾒られないときはレーザーの交換を求めること。
この Part では，光の回折を利⽤してポリマー⽷の直径を測定する。（知っていることだと思うが，）幅 𝑑 の⻑
⽅形のスリットによる回折パターンは，直径 𝑑 の円柱の物体による回折パターンに似ている。⼗分遠⽅（フラウンホーファー）において，物体の直径に⽐べて⼗分⼤きい距離を隔てて置かれたスクリーン上に現れる回折パターンは，⾓度が⼩さい範囲において，回折光の強度が極⼩を⽰す位置の間隔がスリットでも物体でも等しいとみなせ，以下の式で与えられる。
𝑑 sin 𝜃 = 𝑛𝜆,𝑛 = 1, 2, 3, ⋯ ,(10)𝜃 は回折⾓である。
また，レーザーの波⻑は 𝜆 = 650 ± 10 nm である。
この Part は以下のように進める。
1. 洗濯ばさみでレーザー光の電源を⼊れる。
（図５）
2. ⽷に直接レーザー光があたるように位置を調整する。
3. 与えられた器具を⽤いて，回折パターンを紙に投影する⽅法を考案し，式 (14) を⽤いて⽷の直径を決定できるようにデータを測定する。

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Q2-8
Japanese (Japan)

図５．ばねクリップでレーザー光の電源を⼊れる。
B.1

考案した⽅法を解答⽤紙に記しなさい。

0.6pt

B.2

⽷と回折像が投影されたスクリーンまでの光学距離 𝐷 を測定しなさい。また，これを解答⽤紙に⾒積もった不確かさとともに記しなさい。

0.3pt

B.3

強度が極⼩となる位置の隣り合う間隔の平均値 𝑥̄ を決定しなさい。また，これを解答⽤紙に⾒積もった不確かさとともに記しなさい。

0.3pt

B.4

測定結果を式（10）に適⽤し，伸びたポリマー⽷の直径 𝑑 を不確かさとともに決定しなさい。また，これを解答⽤紙に⾒積もった不確かさとともに記しなさい。

0.3pt

PartC：新しい⽷への交換 (0.3 点)
これまでのデータ解析（Part D）を⾏う前に，短い⽷（Part E）の準備を⾏う。
おもりから⻑い⽷を取り外し（ねじを緩める），短い⽷と交換する（⽷の端をねじの⽳に⼊れ，もう⼀⽅のねじで固定する。図６）。
⽳に⽷の⼀端を⼊れることが困難な場合は申し出てよい。

図６．固定ねじに TPU ⽷を取り付ける。

Experiment

Q2-9Japanese (Japan)

C.1

A.1 と同様に，⻑さ ℓ0′ を測定しなさい。不確かさとともに解答⽤紙に記録せよ。

0.3pt

おもりが⼀定の⼒を及ぼすように新しく取り付けた⽷を吊るす。これによって実験の解析を⾏っている間に，徐々に⽷の変形 𝜖 = 𝜎/𝐸 が⼀定値に達する（最低でも 30 分は伸ばされた状態を保持すること）。

PartD：データ解析 (5.7 点)
注意：リスボンの重⼒加速度の⼤きさは，𝑔 = 9.80 ms−2 である。
D.1

全ての測定点において，⽷にはたらく⼒の⼤きさ 𝐹 を gf で計算し，A.3 の表の対応する箇所を埋めなさい。

0.3pt

D.2

解答⽤紙のグラフ⽤紙に 𝐹 (𝑡) をプロットしなさい。

0.4pt

電⼦てんびんの上⾯は動かないとみなせるので，変形は⼀定とし，式 (9) を⽤いることができる。⽐ 𝜎𝜖 は 𝛽を⼀定として 𝜎𝜖 = 𝛽𝐹 と表せる。よって，𝜎= 𝛽𝐹 (𝑡) = 𝐸0 + 𝐸1 e−𝑡/𝜏1 + 𝐸2 e−𝑡/𝜏2 + 𝐸3 e−𝑡/𝜏3 + ...
𝜖(11)と表される。ただし，便宜上 (𝜏1 > 𝜏2 > 𝜏3 > ...) の順に並べて記載している。
D.3

⽷の変形 𝜖 を不確かさとともに決定せよ。また，これを解答⽤紙に⾒積もった不確かさとともに記しなさい。

0.3pt

D.4

𝛽 を計算して求めなさい。その際，𝜎を SI 単位で，𝐹 を gf 単位でそれぞれ扱いなさい。また，これらを解答⽤紙に記しなさい（不確かさを考える必要はない）。

0.3pt

D.5

D.2 でグラフを描くのに⽤いたデータを⾒てみよう。これは純粋な弾性過程を⽰してはいない。解答⽤紙のグラフ⽤紙に，純粋な弾性過程の場合の 𝐹 (𝑡) グラフを定性的に描きなさい。

0.4pt

データ解析は，𝐹 (𝑡) よりも d𝐹を⽤いる⽅が簡単になる。これは，時間微分を⽤いると緩和に影響するパラd𝑡メータが⼿作業によって抜き出せることを意味している。この⼿作業を⾏うには，時間微分 d𝐹を全ての測d𝑡定点で計算しなければならない。この作業は，数値的な⽅法，またはグラフによる視覚的な⽅法によりできる。測定点 (𝑡1 , 𝑓1 ), (𝑡2 , 𝑓2 ), (𝑡3 , 𝑓3 ), ⋯ の間隔が⼀定の場合，関数 𝑓(𝑡) の点 𝑡𝑖 での微分の値は，次の式で近似される。
𝑓 − 𝑓𝑖−1d𝑓∣ = 𝑖+1d𝑡2ℎ𝑖 = 2, ⋯ , 𝑁 − 1𝑖

ただし，ℎ（⼀定）は測定点の間隔であり，𝑁 は測定点の個数である。

(12)

Experiment

Q2-10
Japanese (Japan)

もし，測定点の間隔が⼀定ではない場合，時間微分はおおよそ次の式で与えられる。
ℎ2 𝑓− ℎ2 𝑓+ (ℎ2+ − ℎ2− )𝑓𝑖d𝑓∣ = − 𝑖+1 2+ 𝑖−1d𝑡ℎ+ ℎ− + ℎ+ ℎ2−(13)𝑖 = 2, ⋯ , 𝑁 − 1𝑖

ただし，ℎ+ = (𝑡𝑖+1 − 𝑡𝑖 )，ℎ− = (𝑡𝑖 − 𝑡𝑖−1 ) であり，𝑁 は測定点の個数である。この式はある測定点の左右における時間微分の，時間間隔の逆数で重み付けられた平均を表している。
データの解析と影響を与えるパラメータを抜き出しは，以下の⼿順で⾏う。また，式 (11) の級数を⽤いる。

D.6

測定で得たデータセットが 𝜏2 より⻑い時間続いていると仮定して，𝑡 > 1000 s と 0.5ptなる時間について微分 d𝐹を計算しなさい。A.3. で⽤いた表に数値を⽰しなさい。
d𝑡
d𝐹 を計算するのにグラフを使う場合，解答⽤紙のグラフ⽤紙を⽤いよ。
d𝑡

D.7の時間依存性を解答⽤紙に表わせ。
単⼀の粘弾性過程の場合に期待される d𝐹
d𝑡0.3pt

D.8

グラフを⽤いて，D.6. で⽰したデータ点からパラメータ 𝐸1 と 𝜏1 を SI 単位系で求めて，解答⽤紙に記しなさい（不確かさを考える必要はない）。

1.0pt

D.9D.6. で⽰したデータ点からパラメータ 𝐸0 を SI 単位系で求めて，解答⽤紙に記しなさい（不確かさを考える必要はない）
。

0.3pt

D.10

𝐹 (𝑡) から粘性成分と最も緩和時間の⻑い粘弾性成分を引くことで， A.3 で⽤いた表の 𝑦(𝑡) 列を埋めよ。（D.6 で⽤いたデータ点は考えなくてよい。）

0.3pt

D.11

グラフを⽤いて，𝑦(𝑡)（D.10 を⾒よ）から２番⽬の粘弾性成分のパラメータ 𝐸2 と𝜏2 を SI 単位系で求め，解答⽤紙に記しなさい（不確かさを考える必要はない）。

1.0pt

粘弾性に影響を与える他の粘弾性成分は同様に抜き出すことができる。

D.12

第３の項と関連がある [𝑡i , 𝑡f ] の時間区間を⾒出しなさい。また，𝑡i と 𝑡f を解答⽤紙に記しなさい（不確かさを考える必要はない）
。

0.3pt

D.13

D.11 のグラフから，𝜏3 を SI 単位系で⾒積りなさい。また，これを解答⽤紙に記しなさい（不確かさを考える必要はない）
。

0.3pt

Part E：⼀定の応⼒が付加される条件下での E の測定 (0.6 点)
Part C. で伸ばした短い⽷を⽤いる。あらかじめ，30 分以上の伸ばされた状態にあったことが必要である。これによって，⽷の変形 𝜖 = 𝜎/𝐸 を⼀定とみなすことができる。

Experiment

Q2-11
Japanese (Japan)

E.1

伸びた⽷の⻑さから 𝐸 を決定しなさい。また，これを Part D で得た 𝐸0 との差を⽐較して解答⽤紙に記しなさい（不確かさを考える必要はない）。

0.6pt