バネ定数：バネという部品を決める一つの数値

**力を保持する。** バルブスプリング、デテント、ブラシスプリング、洗濯ばさみ。重要なのは作動位置での力と、摩耗しても力がほとんど変わらないことです。十分な予荷重をもつ柔らかいばねは、力がゆっくり低下するため、硬いばねよりもこの役割をうまく果たします。 **エネルギーを蓄える。** ぜんまい、カタパルト、ばね駆動のおもちゃ。重要なのは総エネルギーであり、それは力と変位の線の下の面積に等しいため、高い力よりも長いストロークのほうが価値があります。 **衝撃を吸収する。** サスペンションスプリング、バッファ、ドアストッパー。重要なのは、力が許容範囲内にとどまったままどれだけ移動できるかであり、敵となるのは力が垂直に跳ね上がる底付き（バottoming out）です。 **ばね定数が3つすべてをつなぐ。** 単位はニュートン毎ミリメートル（またはポンド毎インチ）で測定され、コイルばねはほぼ全ストロークにわたってこれを一定に保ちます。この線形性は自然法則ではなく形状の性質であり、コイル同士が接触し始めると成り立たなくなります。 **ばね定数が教えてくれないこと（2つ）。** 静止時にばねがどれだけの力を受けているか。これは**予荷重**であり、ばね自体ではなく組み立てによって設定されます。また、何かが壊れるまでにどこまで変位できるかは応力の問題であり、次の段階の主題です。

**1点だけで測定しないでください。** 1つの力と1つの長さだけでは何もわかりません。力を測定した基準となる自由長がわからず、バネが線形かどうかも確認できないからです。 **まず自由長を測定してください。** バネを作業台に置き、何にも触れさせない状態で測ります。その値を記録してください。引張バネの場合はフックの内側面間で測定し、メモにその旨を書いてください。測定の基準には3通りあり、コイル1巻分の差が生じるためです。 **次に、使用範囲にわたって少なくとも5点を取ります。** 引張バネには既知の重りを吊るし、圧縮バネは万力で挟んでフォースメーターで押してください。記録するのはたわみではなく荷重と長さです。たわみは計算で求める値であり、記録するとと自由長の誤りが隠れてしまいます。 **グラフにプロットして直線を確認してください。** 直線であれば、剛性は傾きとなります。端部で上に曲がる場合はコイルが接触し始めているか、引張バネのフックが限界に達していることを示します。自由長を通らない直線は初期張力があることを意味し、引張バネでは正常ですが、圧縮バネでは不具合です。 **直線部分だけで傾きを求めてください。** 最初と最後の点から剛性を求めるのは最も多い誤りです。最後の点はたいてい直線部から外れているためです。 その際に**有効巻数を数えてください**。総巻数から両端の不効巻きを引きます。両端を研削・角型加工した圧縮バネでは、おおよそ2巻分を差し引きます。形状から計算した剛性と実測した剛性が約10%以上食い違う場合、有効巻数を数え間違えたか、線径の測定を誤っています。

**コイルの密着。** 圧縮バネを十分に縮めると、すべてのコイルが隣のコイルに接触します。この時点でバネは鋼製の管となり、ばね定数は事実上無限大になり、それを押しているものは中実の柱に荷重をかけていることになります。これに到達させるように設計されたものはありませんが、実際にはそうなる例が非常に多くあります。 **フックの限界。** 引張バネを十分に強く引くと、コイルが面白い働きをする前に端のループが真っ直ぐになります。力-変位線は緩くなり、その後フックが永久に開いてしまいます。 **永久変形（へたり）。** 線材の降伏点を超えて荷重をかけると、バネは壊れるのではなく、元の長さより短くなった状態で戻ります。ばね定数は変わりませんが、自由長が低くなるため、すべての力が低下します。これは静かな故障であり、「弱くなった」と言われるバネがほぼ常に、柔らかくなったというより短くなっていると測定される理由でもあります。 **座屈。** 長く細い圧縮バネは真っ直ぐ縮まず、横に跳ねます。これは強度の破壊ではまったくなく、独自の段階を持っています。 **サージング。** バネは十分速く繰り返し動かされると、そのコイル自体が共振し、波がバネ内を伝わります。その結果、バネには使用時のたわみから想定されるよりはるかに大きな応力がかかります。バネの固有振動数が規定されている理由はここにあります。 **共通点:** これらはすべて、ばね定数ではなくDEFLECTIONに対する制限です。バネは、その点に達するまでは線形で正常に動作しますが、その点を超えると動作しなくなります。その限界点がどこにあるかを知ることは、ばね定数そのものよりも重要です。