ばね
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最も広く使用されている種類のばねである圧縮コイルばね

ばねとは、が加わると変形し、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[1]。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[2]。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。

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。

「ばね」は和語の一種だが、平仮名ではわかりにくいときは片仮名でバネとも表記される[3]。現在使用されている漢字表記では発条と書かれる。英語に由来するスプリング(spring)という名称でもよく呼ばれる[4]。語源は諸説あるが、「跳ね」「跳ねる」から転じて「ばね」という語になったとされる。

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。


目次

1 定義と特性

1.1 復元力

1.2 エネルギーの蓄積と放出

1.3 固有の振動数


2 種類

2.1 基本形状別

2.2 材料別

2.2.1 金属ばね

2.2.2 非金属ばね

2.2.3 磁気ばね


2.3 その他の分類


3 設計と製造

3.1 設計の基礎事項

3.1.1 古典理論式と有限要素法

3.1.2 振動問題

3.1.3 強度


3.2 製造の基礎事項

3.3 工業規格


4 用途例

4.1 日用品

4.2 車両

4.3 電気電子機器

4.4 構造物

4.5 市場割合


5 名称と語源

6 歴史

6.1 原始から古代まで

6.2 中世から近世まで

6.3 近代から現代まで


7 工業以外におけるばね

7.1 生体

7.2 比喩


8 脚注

8.1 注釈

8.2 出典


9 参考文献

10 外部リンク


定義と特性

物体には弾性と呼ばれる、が加わって変形しても元に戻ろうとする性質がある[5]。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[2]。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[6]。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[7]。他にもばねの基本的な性質や働きの分け方はあるが[注釈 1]、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。
復元力弾性変形(上)と塑性変形(下)の例

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[7]。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[8]。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[9]

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[10]。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[11]。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[12]。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[13]。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[14]

ばねの変形のことや変形量のことを「たわみ」と呼ぶ[15]。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[16]。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[17]。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[16]。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)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[18]。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[19]


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出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)
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