捻れとバネの関係

質問

バネの中には金属のねじれを利用しているものがあるようですが，どうしてねじれが弾性を生み出すのですか。

回答No.1

First_Noel · ベストアンサー

弾性には縦弾性と横弾性があります．
ねじりバネは横弾性を利用したものです．

縦弾性は垂直応力によるもので，いわゆる「伸び」です．
垂直応力σと縦ひずみεとの間には，ヤング率（縦弾性係数）Ｅとして，
σ＝Ｅε，と言うフック則の関係があります．

横弾性はせん断応力によるものです．「ずれ」と言いましょうか．
せん断応力τと横ひずみγとの間には，横弾性係数Ｇとして，
τ＝Ｇγ，と言うフック則の関係があります．
γは，材料のねじれ角θに比例した量です．

以上の線形性は，変形が微小な場合に成り立ちます．
変形が微小とは，バネの見た目の話ではなく，材料の微小領域に注目したときに，
その領域自身の変形が微小と言うことです．
この微小な変形が材料全体となると積もり積もって，バネのようなびよんびよんと
大きく変形する形状のものになります．

お礼

どうもありがとうございます。時間と空間の関係から弾性を理解する方法がないかなと考えています。

回答No.3

rey-aw

スプリング鋼は、特殊合金です。

材質が捻れやすく、戻り易い（柔らかい）
しかも永久変形しない（剛性）
柔らかさと、剛性を兼ね備えた材質だからです。

特性トーションバーで検索するとひっかかるかもしれません。

丸棒１Mの先端に棒を付け、反対側を固定し、
時計回りに捻ると反発力が生まれます。

＞どうしてねじれが弾性を生み出すのですか。
剛性による復元力、永久変形しない材質の為です。

もちろん、普通の鉄では曲がったままです。
日本刀のような鋼では折れて終わりです。
スプリング鋼と言う、特殊合金でなければなりません。

鉄にモリブデンなどを数種類混合させたものです。
混合する材量の種類や、混合比率で性能は大きく変化します。

お礼

どうもありがとうございます。イメージとして弾性というのはつかむのが難しいものだと思っています。

回答No.2

shkwta

つるまきばね（金属線をコイル状にぐるぐる巻いてある、最も普通のばねです）に力をかけて伸ばすときに、金属線にどんな変形が起こるかを考えます。金属線の微小な各部分について見れば、これはそれぞれ「ねじり変形」であることがわかります。

たとえばコイル状の電話機のコードを伸ばすと確かめられるように、コイルの伸び縮みは実はねじり変形になっています。つるまきばねは、実は金属のねじれ弾性を応用しているのです。

一方、洗濯バサミや郵便受けのふたなどに使われている「ねじりばね」がありますが、金属線から見れば実はねじり変形でなく曲げ変形であることもすぐわかると思います。

金属線を円柱とすれば、ねじりとは中心の歪が小さく周辺の歪が大きい剪断変形に相当します。したがって、ねじり弾性は剪断弾性として解釈できます。一般に剪断弾性を含めて金属の弾性は、金属結晶内の原子が、安定位置からずれて、金属結合による位置エネルギーが増加するために生じます。

お礼

弾性が持っている非線形性（？）が気になります。勉強させていただきます。どうもありがとうございました。