力学高校物理・化学で出てくる

ばね定数の単位 Nm の意味|基本単位で表すと kgs2

Nm=kgs2
次元 [M T⁻²]
検算のポイント

答えがばね定数なら、右辺の単位は Nm(= kgs2) になっているはず。ならなければ、どこかが間違っています。

このページでわかること
  • ばね定数を言葉でどう言い表すか
  • その言葉を単位に置き換えると、なぜ Nm になるのか

ばね定数とは? 言葉で意味をつかむ

ばね定数とは ばねを 1 m 伸ばすのに必要な力。ばねの硬さ。

言葉の式
ばね定数 = ばねを引く力 ÷ ばねの伸び

言葉の式に出てくるそれぞれの言葉は、すでに単位がわかっている量です。言葉を単位に置き換えてみましょう。

言葉何の量か単位
ばねを引く力力N
ばねの伸び長さm
[ばね定数] =N÷m
   =Nm
   =kgs2

言葉の通りに単位を並べるだけで、Nm が出てきました。

よくある誤解:ばね定数に単位はない?
「定数」という名前ですが、ただの数ではありません。ばね定数には Nm という単位があります。もし単位がなかったら、ばね振り子の周期 T=2πmk の右辺は kg になり、時間の単位 s になりません。単位がないのは、摩擦係数 μ や屈折率 n のような「同じ種類の量の比」です。

基本単位までたどる

言葉の式に出てきた量も、さらに言葉の式で分解できます。速度 → 加速度 → 力 → ばね定数 の順にたどると、すべて基本単位(m・kg・s・A・K・mol・cd)だけで表せます。

前提:速度・加速度・力の単位(知っていれば飛ばしてOK)

速さは「進んだ距離 ÷ かかった時間」。m を s で割って ms です。

[v] =m÷s=ms

加速度は「1秒あたりに速さがどれだけ変わるか」。速さの ms をさらに s で割るので ms2 になります。

[a] =ms÷s=ms2
力 — 運動方程式 F=ma

運動方程式 F = ma で、質量 kg と加速度 ms2 をかけると kg·ms2。この組み合わせに N(ニュートン)という名前がついています。

[F] =kg×ms2=kg·ms2=N

フックの法則 F = kx を k について解くと k=Fx。N を m で割って Nm、つまり「1 m 伸ばすのに必要な力」です。

[k] =N÷m=Nm=kgs2

よくある間違い:同じ単位でも別の量

次の量は ばね定数 と次元 [M T⁻²] が同じです。単位が一致しても意味が違うことがあるので、検算のときは「何を表す量か」も確かめましょう。

ばね定数が出てくる公式

まとめ
  • ばね定数とは、ばねを 1 m 伸ばすのに必要な力。ばねの硬さ。
  • 言葉の式 ばね定数 = ばねを引く力 ÷ ばねの伸び を単位に置き換えると Nm。
  • 基本単位だけで書くと kgs2。

練習問題:分子と分母を見きわめる

問題文には単位が書いてあります。計算はしなくてかまいません。どの単位が分子(上)に、どの単位が分母(下)に来るかだけを考えて選んでください。

問1ばね定数は「ばねを引く力 ÷ ばねの伸び」で求められます。「ばねを引く力」[N]、「ばねの伸び」[m] のとき、ばね定数の単位はどれ?

答えと解説

正解:C Nm

かける量(ばねを引く力)の単位が分子、割る量(ばねの伸び)の単位が分母に来ます。まとめると Nm。

問2弾性エネルギー U=12kx2 を使います。U 「エネルギー・仕事・熱量」[J]、x 「長さ」[m] のとき、ばね定数 k の単位はどれ?

答えと解説

正解:A Jm2

式を k について解くと k=Ux2。分子・分母にそれぞれの単位を入れると Jm2 = Nm。

問3ばね定数 = ばねを引く力 ÷ ばねの伸び です。「ばね定数」[Nm]、「ばねの伸び」[m] のとき、「ばねを引く力」の単位はどれ?

答えと解説

正解:D Nm·m

言葉の式を「ばねを引く力」について解き直すと「ばねを引く力 = ばね定数 × ばねの伸び」。単位を入れると Nm·m = N。