ばね

context: ばねとは、力が加わると変形して力を取り除くと元に戻るという、物体の弾性という性質を利用する機械要素である。
広義には、弾性の利用を主な目的とするものの総称ともいえる。
英語名はspringで、日本語でもスプリングという名でよく呼ばれる。
発条(はつじょう)ともいう。
ばねの形状や材質は様々で、日用品から車両、電気電子機器、構造物に至るまで、非常に多岐にわたって使用される。
qas: question: spring、発条(はつじょう)などと呼ばれ、弾性の利用を主な目的とする機械要素は何ですか?
answers: text: ばね

question: ばねは日本語では他にどのように表現されていますか?
answers: text: スプリング

context: ばねの種類の中ではコイルばねがよく知られ、特に圧縮コイルばねが広く用いられている。
他には、板ばね、渦巻ばね、トーションバー、皿ばねなどがある。
ばねの材料には金属、特に鉄鋼が広く用いられているが、用途に応じてゴム、プラスチック、セラミックスといった非金属材料も用いられている。
空気を復元力を生み出す材料とする空気ばねなどもある。
ばねの荷重とたわみの関係も、荷重とたわみが比例する線形のものから、比例しない非線形のものまで存在する。
ばねばかりのように荷重を変形量で示させたり、自動車の懸架装置のように振動や衝撃を緩和したり、ぜんまい仕掛けのおもちゃのように弾性エネルギーの貯蔵と放出を行わせたりなど、色々な用途のためにばねが用いられる。
qas: question: ばねの種類は多種多様で、その中でも特に多用されている種類は何?
answers: text: 圧縮コイルばね

question: ばねの材料で多く使用されているのは何?
answers: text: 鉄鋼

context: 人類におけるばねの使用の歴史は太古に遡り、原始時代から利用されてきた弓はばねそのものである。
カタパルト、クロスボウ、機械式時計、馬車の懸架装置といった様々な機械や器具で利用され、ばねは発展を遂げていった。
1678年にはイギリスのロバート・フックが、ばねにおいて非常に重要な物理法則となるフックの法則を発表した。
産業革命後には、他の工業と同じくばねも大きな発展を遂げ、理論的な設計手法も確立していった。
今日では、ばねの製造は機械化された大量生産が主だが、一方で特殊なばねに対しては手作業による製造も行われる。
現在のばねへの要求は多様化し、その実現に高度な技術も求められるようになっている。
qas: question: 人類における最初のばねの使用は何だといえますか?
answers: text: 弓

question: ばねにおける非常に重要な物理法則を発表した人は誰?
answers: text: ロバート・フック

context: 物体には弾性と呼ばれる、力が加わって変形しても元に戻ろうとする性質がある。
ばねの広い意味での定義は、この弾性という性質の利用を主な目的とするものの総称といえる。
ばねが持っている、あるいはばねに求められる特性としては、大きく分けて、復複元力を持つ、エネルギーの蓄積と放出ができる、固有の振動数を持つ、という3つの特性が挙げられ、これらは「ばねの3大特性」とも呼ばれる。
ばねと呼ばれる部品や物以外にもこれら3つの特性は備わっているが、これらの特性を特に上手く利用しているのがばねともいえる。
他にもばねの基本的な性質や働きの分け方はあるが、ここではこの3つの大別に沿って、ばねの基本的特性について説明する。
qas: question: 復複元力を持つ、エネルギーの蓄積と放出ができる、固有の振動数を持つという特性の通称は何?
answers: text: 「ばねの3大特性」

context: ばねは、力を加えられると変形し、力を取り除くと元の形に戻るという性質を持っている。
このように力が加わって変形しても元に戻ろうとする性質を持つことが、ばねの基本的性質であり、必要条件である。
元の形に戻ろうとする力は「復元力」と呼ばれ、復元力の存在がばねの大きな特性の1つ目に挙げられる。
復元力は物質の「弾性」という性質に起因し、力を取り除くと元の形に戻る変形は「弾性変形」と呼ばれる。
しかし、力(正確には応力)が材料の限界を超えて加わると、力を除いても変形(正確にはひずみ)が残るようになる。
この性質は「塑性」と呼ばれ、塑性という性質によって元に戻らない変形のことを「塑性変形」と呼ぶ。
変形が弾性変形に留まる最大の応力は「弾性限度」と呼ばれる。
ばねは元に戻ることを前提して使われるものであるため、塑性変形が起こることは好ましくなく、一般にばねに加わる力が弾性限度を超えない範囲で使用される。
qas: question: ばねの基本的性質で、必要条件である元の形に戻ろうとする力を何と言うの?
answers: text: 「復元力」

question: 力(正確には応力)が材料の限界を超えて加わると、力を除いても変形(正確にはひずみ)が残るようになる性質を何と呼ぶ?
answers: text: 「塑性」

context: ばねの変形のことや変形量のことを「たわみ」と呼ぶ。
たわみの物理単位には、変位(長さの変化)と回転角(ねじり角や曲げ角の変化)の2種類がある。
長さが変化することを利用する圧縮コイルばねでは、たわみの単位は変位で表される。
棒のねじり角度が変化することを利用するトーションバーでは、たわみの単位は回転角(ねじり角)である。
たわみの物理量に対応して、たわみを起こす負荷にもいくつかの種類が考えられる。
変位であれば荷重(純粋な力)であり、ねじり角であればねじりモーメントが考えられる。
実際のばねでは、変位や回転変形が組み合わさった複雑なたわみを起こすものもある。
このような荷重とたわみがある一定関係を持っていることが、ばねが持つ基本的性質や機能の一つともいえる。
ばねが示す荷重とたわみの関係のことを「ばね特性」「荷重-たわみ特性」「荷重特性」などと呼ぶ。
最もよく利用されるばねのばね特性は、線形であることが多い。
線形とはたわみが荷重に比例して増減するということで、ばねに10kgの重りを吊るすとばねが1cm伸び、20kgの重りを吊るすと2cm伸びるという具合である。
この関係は「フックの法則」としても知られる。
qas: question: 「たわみ」の物理単位で角の変化を表す単位を何と言いますか?
answers: text: 回転角

question: 「たわみ」の物理単位のうち、長さの変化を表す単位を何と言うの?
answers: text: 変位

question: ばねに10kgの重りを吊るすとばねが1cm伸び、20kgの重りを吊るすと2cm伸びるという具合にたわみが荷重に比例して増減する関係を何と言いますか?
answers: text: 「フックの法則」

context: 荷重とたわみが比例しないばねも存在し、そのような関係を非線形と呼ぶ。
非線形特性のばねでは、例えば、ばねに10kgの重りを吊るすと1cm伸びるが、20kgの重りを吊るしても1.2cmしか伸びないという具合である。
さらに、荷重を加えるときと取り除くときで荷重とたわみの関係が異なり、荷重-たわみ曲線がヒステリシスループを描くばねもある。
皿ばねや圧縮コイルばねの内の特殊なものが、非線形特性のばねの例として挙げられる。
qas: question: ばねに10kgの重りを吊るすと1cm伸びるが、20kgの重りを吊るしても1.2cmしか伸びないという具合に荷重とたわみが比例しない関係を何と言うの?
answers: text: 非線形

context: ばねが変形するとき、弾性エネルギーという形でエネルギーがばねに蓄えられる。
蓄えられたエネルギーを放出させれば、ばねに機械的な仕事をさせることができる。
この「エネルギーの蓄積と放出」という働きが、ばねの大きな特性の2つ目として挙げられる。
例えば、弓によって矢を放つのは、このエネルギーの蓄積と放出を利用している。
手で弦を引くことで弾性エネルギーを蓄え、手を放すことで弾性エネルギーを矢を飛ばす力に変える。
ぜんまい時計では、ぜんまいに蓄えられたエネルギーを放出させながら時計が動いている。
弓と比較すると、ぜんまい時計の場合は弾性エネルギーを徐々に放出させながら利用している。
自動車の懸架装置用ばねの場合は、路面から伝わる衝撃をばねが受け、衝撃力をばねの弾性エネルギーに変化させて緩衝している。

ばねに蓄えられる弾性エネルギーは、その弾性変形を起こす荷重によってなされた仕事に等しい。
荷重-たわみ線図では、曲線と横軸で囲まれた面積が弾性エネルギーに相当する。
qas: question: ばねが変形した時に蓄えられたエネルギーを放出させることで、ばねに機械的な仕事をさせることのできる働きを何と言いますか?
answers: text: 「エネルギーの蓄積と放出」

question: 弓において、弾性エネルギーを蓄えたものを矢を飛ばす力に変える行為は何か?
answers: text: 手を放すこと

question: 弓とぜんまい時計を比較して、弾性エネルギーを瞬時に放出させているのはどちらか?
answers: text: 弓

question: 蓄えられた弾性エネルギーをゆっくりと放出させながら動いているのは何?
answers: text: ぜんまい時計

context: 先端に重りを付けたばねを天井に吊るし、重りを下に引っ張り、力を放す。
すると重りは一定の振動数で上下に振動する。
この一定の振動数は「固有振動数」と呼ばれる。
このような固有振動数を持つことが、ばねの大きな特性の3つ目である。
一般的にも、ばねが硬いほど固有振動数が大きくなり、ばねが柔らかいほど固有振動数が小さくなる。
固有振動数は実際上のあらゆる振動の問題に関係し、固有振動数は振動の問題を考えるときの最重要の物理量ともいわれる。
特に、大きさや向きが周期的に変動するような力が質点に加わったり、ばねを支える基礎自体が周期的に揺れ動くとき、このような外からの振動数が固有振動数に一致すると「共振」と呼ばれる質点が激しく振動する現象が発生する。
共振を積極的に利用する機械・道具もあるが、通常は共振を避ける必要がある。
共振が起こると、機械の動作が不安定になったり、故障の原因となったり、最悪は破壊事故を引き起こすこともある。
このため、固有振動数と外からの振動数をずらすように機械や構造物を設計することが求められる。
qas: question: 先端に重りを付けたばねを天井に吊るし、重りを下に引っ張り、力を放す時に重りが一定の振動数で上下に振動する、この一定の振動数を何と言いますか?
answers: text: 「固有振動数」

question: ばねは、柔らかいほど固有振動数がどうなるの?
answers: text: 小さくなる

question: 外からの振動数が固有振動数に一致する時に質点が激しく振動する、この現象を何と言いますか?
answers: text: 「共振」

context: 一方で、ばねの固有振動を持つ性質を利用することで、振動の伝達を緩和することもできる。
固有振動数が外からの振動数よりも十分小さいとき、振動がばねが支える質点に伝わりにくくなる。
これを利用することによって、ばねが支える物体の振動を和らげることができる。
振動を伝わりにくくする一般的な目安としては、固有振動数が外からの振動数の1/3以下となるようにするのが望ましいとされる。
例えば鉄道車両では、金属ばねに比べてばね定数を小さくすることができる空気ばねを採用し、乗り心地を良くしている。
qas: question: 振動の伝達を緩和する例として、鉄道車両では何を使用することで乗り心地を良くしていますか?
answers: text: 空気ばね

question: 金属ばねと空気ばねではどちらがばね定数を小さくすることができるの?
answers: text: 空気ばね

context: ばねの復元力を生み出す材料には様々なものがある。
原理的には、弾性を持つ材料全てがばねの材料となりえる。
金属と非金属にばね材料を分けると、金属ばねが特殊な場合を除いて一般的に用いられている。
コストが安いながらも、大きな力を受けることができたり、大きなたわみ量を確保できたりするのが金属ばね全般における利点である。
金属材料の中でも、強度と汎用性の高さから特に鉄鋼材料が広範囲で用いられている。
ばね用の鋼材は「ばね鋼」という名称でも呼ばれ、弾性限度を上げるために一般的な鋼材よりも材料中の炭素濃度が高められている。
ばね鋼は大きく分けて冷間成形用と熱間成形用がある。
冷間成形とは材料が常温の状態でばねの形へ加工することで、比較的小型のばねの成形に適している。
熱間成形とは材料を高温に熱した状態でばねの形へ加工することで、比較的大型のばねの成形に適している。
ばね鋼の種類としては、炭素を主な添加元素とする炭素鋼、あるいは炭素以外の元素を特別に加える合金鋼が使われる。
他の鉄鋼材料としては、耐食性と耐熱性に優れたステンレス鋼が用いられている。
qas: question: ばねの材料で一般的に幅広く使われているのは金属ばねか、それとも非金属のばねか?
answers: text: 金属ばね

question: 比較的小型のばねの成形に適している加工は冷間成形と熱間成形のどちら?
answers: text: 冷間成形

question: 炭素鋼や合金鋼以外の鉄鋼材料として、耐食性と耐熱性に優れた何がありますか?
answers: text: ステンレス鋼

question: 比較的大型のばねの成形に適している加工は冷間成形と熱間成形のどちら?
answers: text: 熱間成形

context: ばねに使われる非鉄金属の材料としては、黄銅、リン青銅、洋白、ベリリウム銅といった銅合金材料が一般的である。
銅合金の電気伝導性の良さを利用して、コネクタなどで抵抗や発熱を減らすために使われる。
他には耐食性や非磁性も長所として持っているが、鋼材料と比べるコストが高い欠点もある。
他の非鉄金属材料としては、耐食性、耐熱性ならびに耐寒性が優れたニッケル合金もばね材料として用いられている。
特にインコネルがニッケル合金の中でも一般的である。
400°C以上の高温領域で使用されるようなばねで、ニッケル合金材料が用いられている。
鋼と比較して大きな軽量化が可能な材料として、チタン合金もばねに使用されている。
チタン合金は鋼と比較して弾性率と比重が小さいため、ばねの軽量化が可能となる。
一方でコストが高いという欠点もある。
qas: question: ばねに使われる非鉄金属の材料の中で、電気伝導性が良いのは何?
answers: text: 銅合金

question: ばねに使われる非鉄金属の材料の中で、耐食性、耐熱性、耐寒性に優れているものは何?
answers: text: ニッケル合金

question: ばねに使われる非鉄金属の材料は、費用面においてどういった共通点がありますか?
answers: text: コストが高い

question: ニッケル合金の中で代表的な存在であり、耐熱性に優れたばねは何?
answers: text: インコネル

context: 金属材料では実現できない機能や特性を得たいとき、非金属材料がばね材料として使われる。
プラスチックやゴムといった高分子材料も、ばね材料として利用される。
ゴムの弾性を利用するばねは、特に「ゴムばね」と呼ばれる。
ゴムの弾性は非線形であり、ひずみが小さい範囲でのみ線形とみなせる。
具体的な材料としては、汎用に使われる天然ゴム、対候性の高いクロロプレンゴム、振動減衰特性が良いブチルゴムなどが使われている。
金属ばねと比較すると、ばね定数を方向に応じて自由に調整できる、ゴムの内部摩擦によって変形時に減衰力が生まれる、といった長所を持っている。
車両用や産業機械用の防振ゴムとして広く利用されている。
一方で、高温・低温で性能が劣化しやすい、長期間の大荷重負担でクリープが生じやすい、といった短所もある。
さらに、ゴムばねの挙動は明確には計算できないので、おおよその範囲で計算する必要がある。
qas: question: 非金属材料として、ゴムという高分子材料を利用するばねを何と言いますか?
answers: text: ゴムばね

question: 金属ばねと比較してばね定数を方向に応じて自由に調整できるのは何?
answers: text: ゴムばね

question: 温度の変化に弱いのは金属ばねとゴムばねのどちら?
answers: text: ゴムばね

context: プラスチック材料もばねに用いられる。
金属ばねと比較すると、プラスチック製ばねには軽量、錆びない、成形が容易といった長所がある。
一方で、ゴムのようにクリープが起こりやすい、鋼材と比較すると強度や弾性率が小さいといった短所がある。
プラスチック材料の中では、エンジニアリングプラスチックがばね用として一般的である。
例としてはポリエーテルエーテルケトン(PEEK)製のコイルばねなどが、耐薬品性が必要な個所で活用されている。
qas: question: プラスチック製ばねと金属ばねでは、どちらが重いですか?
answers: text: 金属ばね

question: プラスチック製ばねと金属ばねでは、どちらが錆びやすいの?
answers: text: 金属ばね

question: プラスチック製ばねと金属ばねでは、どちらが成形に手間がかかるの?
answers: text: 金属ばね

question: プラスチック製ばねの材料としてよく使われているものは何?
answers: text: エンジニアリングプラスチック

context: プラスチックの強度の低さを克服するために、強化繊維を含有させた繊維強化プラスチック(FRP)もばね用材料として使われている。
ばね材料として用いられるFRPには、ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)と炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の2つがある。
強化繊維の配向によって、FRPは力を受ける向きによって強度や弾性率が異なるという特徴がある。
そのため、ばね定数を最適化したり、FRPが持つ高い強度を生かすためには、適切な配向でばねを設計する必要がある。
軽量化のためにGFRP製の板ばねが自動車懸架装置用として実用化されたことがあるが、コストが高い・リサイクルしづらいといった欠点により定着はしていない。
CFRPも、板ばねとしての利用が代表例である。
他の材料と比較すると、CFRPは比強度や比弾性率が特に優れており、加えて疲労強度も高いという長所を持つ。
これらの長所を生かして、他の材料では不可能な用途にCFRP製ばねを適用することが試みられている。
qas: question: 比強度や比弾性率に優れ、疲労強度が高いという長所を持つCFRPの正式名称は何?
answers: text: 炭素繊維強化プラスチック

question: FRPの種類の中で、コストが高くリサイクルしづらいという短所のある材料は何?
answers: text: ガラス繊維強化プラスチック

context: 無機材料のセラミックスもばねとして利用されている。
既存の金属ばねでは対応不可能な700°Cから1000°Cの高温下でも実用できる耐熱性を持つ。
セラミックスは脆性材料であり、小さな欠陥でも破壊に至り、強度のばらつきが大きいため、ばね用材料としては不適当と以前は考えられていた。
その後の製造技術の進歩によって、高強度のセラミックスが誕生し、ばねとして実用可能となった。
実際の使用例としては、高温下使われる治具用ばねに窒化ケイ素が使われている。
qas: question: 金属ばねでは対応出来ない700°Cから1000°Cの高温下でも実用できる耐熱性を持つばねの材料は何があるの?
answers: text: セラミックス

question: セラミックスのばねの実用例として、治具用ばねには何が用いられているの?
answers: text: 窒化ケイ素

context: 気体や液体の流体を利用するばねも存在し、特に空気の弾性を利用したばねは「空気ばね」と呼ばれる。
一定温度下では気体の体積は圧力に逆比例するというボイルの法則が、空気ばねの弾性を生み出す基本原理となる。
ばねの高さ・受けることができる荷重・ばね定数が独立に設定できる、絞りを設けることで減衰力を発生させることができる、調整弁を設けることでばね高さを一定に保つことができる、といった長所を持っている。
特に、一つ目の長所により、同じ条件下の金属ばねと比較してばね定数を小さくでき、車両の懸架装置として用いた場合は乗り心地を良くすることができる。
形状によって、ベローズ形とダイヤフラム形の2種類に大きく分けられる。
欠点としては、金属ばねと比較して構造が複雑で、空気ばね以外の付属装置も必要となり、コストが高い。
qas: question: 金属ばねと空気ばねを比べて構造が複雑でないのはどちら?
answers: text: 金属ばね

question: 同じ条件下で金属ばねと比べるとばね定数が小さく、車両の懸架装置として用いた場合に、乗り心地を良くすることができるばねを何と呼んでいるの?
answers: text: 空気ばね

context: 空気ではなく、アルゴンやヘリウムなどの不活性ガスを利用するばねもあり、このようなばねは「ガスばね」と呼ばれる。
ばね特性設定の自由度が高く、省スペースで大きな荷重を働かすことができるといった長所がある。
一方で使用温度に制約があり、ガス漏れのおそれがあるといった短所がある。
qas: question: ばね特性設定の自由度が高く、省スペースで大きな荷重を働かすことができるといった長所がある反面、使用温度に制約があり、ガス漏れのおそれがあるという短所があるばねを何と言いうの?
answers: text: 「ガスばね」

context: 弾性を利用するものではないが、磁石の磁気力を復元力として利用する「磁気ばね」と呼ばれるばねもある。
磁石の同極を近づけると反発力が発生するので、圧縮方向に復元力を持つばねとして利用できる。
磁石の異極を対向させる場合は、磁石が横方向にずれたときに吸引力が発生するので、横方向に復元力を持つばねとして利用できる。
物体同士の接触を避けることができる、質量を持たないばねなので後述のサージングが発生しない、といった長所がある。
qas: question: 物体同士の接触を避けることができ、質量を持たないためにサージングが発生しないばねは何?
answers: text: 「磁気ばね」

question: 磁石の磁気力を復元力として利用するばねは何と言われているの?
answers: text: 「磁気ばね」

context: ばねの特性や機能を活かして、ばねは幅広い分野にわたって使われている。
身近な器具から大型機械・構造物まで、昔ながらの機器から現代的な機器まで、ばねの利用は広範囲に及んでいる。
身の回りの日用品の中にも様々なばねが存在する。
文房具では、紙や書類を挟むためのクリップもばねの一種といえる。
線を折り曲げて成形されたゼムクリップは、線細工ばねの一種である。
紙や書類を綴じるためのステープラーには、板ばねとコイルばねが使われている。
針を前に押し出す機構にはコイルばねが使われ、針を押し出す薄板は板ばねになっている。
ノック機構を持つボールペンでは、ペン先の出し入れにコイルばねを利用している。
ボールペンの中には、ペン先のボールを1mm程度の小さなばねで支える機構を持つものもある。
衣服を干すための洗濯ばさみでもばねが使われている。
洗濯ばさみには、ねじりコイルばねを利用するものと、輪っかの形のばねを利用するものがある。
重さを量る秤にもばねを利用する種類がある。
ばねばかりは引張コイルばねを利用するもので、計量の仕組みはフックの法則の見本といえる。
qas: question: 文房具において、板ばねとコイルばねが使用されているものは何かな?
answers: text: ステープラー

context: 機械式時計では2種類の渦巻ばねが用いられている。
1つは接触形渦巻ばねのぜんまいで、時計の針を進める動力を生み出している。
もう1つは非接触形渦巻ばねのひげぜんまいと呼ばれる部品で、時計の調速脱進機で使われる。
てんぷという部品に取り付けられたひげぜんまいに往復運動をさせることで、正しい時刻を刻むように針を動かしている。
おもちゃもばねの様々な性質を利用している。
びっくり箱はフタを開けると人形などがばねの復元力で飛び出る古典的なおもちゃである。
オルゴールは、渦巻ばねを動力として音を出している。
エネルギーを弾性エネルギーとして蓄積して徐々に放出させる、ばねの使い方の例である。
ミニカーのチョロQも渦巻ばねが走りの動力原である。
スリンキーという変わった動きをするばね状のおもちゃもある。
qas: question: 機械式時計で用いられている2種類の渦巻ばねのうち、時計の針を進める動力を生み出しているものは何?
answers: text: 接触形渦巻ばねのぜんまい

question: 機械式時計のてんぷの部分に取り付けられて、正しい時刻を刻むように針を動かす役割を果たしている部品は何?
answers: text: ひげぜんまい