(4)ねじれ振動 −剛性率の測定−

 

 実験目的

 上端を固定した針金に円環をつるし、ねじりを与えると、円環は“ねじり振動”(回転運動)を行なう。この振動の復元力は針金のねじれ変形にともなう力のモーメントで、その大きさは針金の剛性率に比例する。したがって、“ねじり振動”の周期を測定することによって剛性率を間接的に測定することを目的とする。

 

 

 実験方法

(1)円環を(a)図のようにきちんと乗せて、横揺れを止めて静

   止させる。

(2)円環をわずか(30°以下)にねじって“ねじり振動”を与え

   る。この時横揺れを起こしてはならない。

(3)望遠鏡を通して円環の中央(目印をつけておく)をとらえ、

   5周期ごとに鉛筆で机をたたいて計時者に合図を送る。

(4)計時者はストップウォッチなどで1/10秒以上の精度ま

   で読み記録する。この時、55周期まで連続してはかり、途中

   でストップウォッチを止めてはならない(積算計時を行う)

(5)次に、円環を(b)図のようにつるして(2)(4)の要領で測定

   する。

(6)(1)(5)の要領でもう一本の針金について測定する。(黄色

   の針金は真ちゅう、灰色の針金は鋼鉄)

(7)円環の内径、外形、厚さ、質量そして針金の長さ、太さ(

   形)をノギス、マイクロメーター、長尺、台計りなどで測定

   する。

 

 ※注意 針金を折り曲げたり円環を足の上に落としたりしないように注意する。

 

 実験結果と課題

 

・剛性率とは

 図1に示すように接線応力とせん断ひずみθの間に歪みが小さければ比例関係が成立する。つまり、

(1)

と表すことができる。この比例定数Gを剛性率(または、ずれ弾性率)といい、これはそれぞれの物質に固有な量である。は上面の面積をS、加えた力をFとすると、

(2)

 である。

 

・ねじれ振子の周期と剛性率の関係

 長さl,直径a,剛性率Gの針金をθだけねじるときの力のモーメントLを計算する。

 図2の(a)のように針金の内部に半径r,厚さdrの円筒管を考え、θだけねじることによって生じる仮想の線の傾きをφとすれば、

(3)

 が歪み(strain)である。

 いま、図2の(b)のように円筒管を展開すれば、底面に平行なせん断応力は(2)式より

(4)

 であるから、(1)式の剛性率Gの定義から、

(5)

 となり、底面に働く力は、

(6)

 となり、円筒管に作用する力のモーメントは、

(7)

 と表される。直径aの針金に作用する力のモーメントは、

(8)

 ここで、kは、で、針金によって定まる定数で、ねじれ定数といわれている。

 次に、この針金の下端に慣性モーメントIの剛体を吊して、ねじれ振動をさせると、運動は針金を固定軸とする回転運動なので、針金のねじれ変形による力のモーメントをNとすれば、その運動方程式は、

(9)

で表される単振動となる。したがって、このねじれ運動の周期Tは、

(10)

 となり、(10)式より剛性率Gは、

(11)

と求めることができる。

 

・実験の場合の慣性モーメント周期の関係

 (11)式より剛性率Gを求めるには、針金の直径aの、周期T、慣性モーメントIを測定しなければならない。しかし、実際には、Iの評価をすることが困難であるため、以下のようにして式を導く。

 図1のような円環Rは質量M,厚さd,内径b,外径cの同心円筒である。それを針金の先で吊した金具Hよりなるねじれ振子として用いる。Hの慣性モーメントをIとし、円環Rを(a)のように水平に吊したときのRの慣性モーメントをI(b)のように鉛直に吊したときの慣性モーメントをIとする。

   (a)の場合のねじれ振動の周期は、(10)式より、

(12)

   (b)の場合の周期も同様に、

(13)

 である。この2式より、Iを消去すると、求める剛性率Gは、

(14)

 を得る。I,は、

(15)

 である。したがって、

(16)

 で剛性率を求めることができる。

 

 

 

 

・実験器具の測定値

円環の寸法

外径c[mm]

内径b[mm]

厚さd[mm]

質量M[g]

1回目

189.00

130.50

32.00

3530

2回目

189.50

130.00

32.00

3520

3回目

189.50

130.00

32.00

3540

4回目

189.50

130.50

32.00

3530

平均値

189.38

130.25

32.00

3530

 

真ちゅう

長さl[mm]

太さa[mm]

 

鋼鉄

長さl[mm]

太さa[mm]

1回目

822.0

0.95

 

1回目

810.0

1.20

2回目

820.0

1.00

 

2回目

811.0

1.25

3回目

819.0

1.00

 

3回目

810.0

1.20

4回目

819.0

0.95

 

4回目

810.0

1.20

5回目

820.0

0.95

 

5回目

809.0

1.25

平均値

820.0

0.97

 

平均値

810.6

1.22

 

 

 

 

 

 

 

・各針金における周期の計算

・真ちゅう(a)の場合

回数

時間@

回数

時間A

A−@

00000

30

52585

325.85

4916

35

63194

342.78

10

14438

40

72722

342.84

15

23951

45

82294

343.43

20

33519

50

91773

342.54

25

43035

55

101332

342.97

     

周期平均

340.068

     

Tの平均

11.336

 

・真ちゅう(b)の場合

回数

時間@

回数

時間A

A−@

00000

30

73484

454.84

11569

35

85128

455.59

10

23206

40

100706

455.00

15

34748

45

112206

454.58

20

50397

50

123744

453.47

25

61928

55

135409

454.81

     

周期平均

454.715

     

Tの平均

15.157

 

・鋼鉄(a)の場合

回数

時間@

回数

時間A

A−@

00000

30

22948

149.48

2242

35

25480

152.38

10

4767

40

32009

152.42

15

11295

45

34526

152.31

20

13873

50

41058

151.85

25

20409

55

43601

151.92

     

周期平均

151.727

     

Tの平均

5.058

 

・鋼鉄(b)の場合

回数

時間@

回数

時間A

A−@

00000

30

32871

208.71

3568

35

40352

207.84

10

11042

40

43807

207.65

15

14486

45

51255

207.69

20

21952

50

54724

207.72

25

25424

55

62190

207.66

     

周期平均

207.878

     

Tの平均

6.929

 

・剛性率の計算

 各測定値を(16)式に代入し剛性率G[]を求め、文献値と比較考察する。

・真ちゅうの剛性率

 

・鋼鉄の剛性率

 

・実験による剛性率と文献値との比較・考察

 計算値と文献値をまとめると以下のようになる。

表:剛性率の

 

真ちゅう

鋼鉄

文献値

3240 [GPa]

8285 [GPa]

計算値

41.78 [GPa]

74.49 [GPa]

 真ちゅうは文献値の範囲におさまっているが、鋼鉄は文献値をかなり下回ってしまった。計算結果から考察するなら、鋼鉄の文献値を調べる際に、鉄として調べてしまうとするなら、『軟鋼』,『硬鋼』,『鋳鉄』などの種類のそれぞれに剛性率は計算されていて、今回の実験結果から求められた値は柔らかい鉄に部類される鉄の仲間ではないかと考察する。

 

 

 感想と考察