ばねで力をはかる ── のびの長さで、力の大きさがわかる

ゴム・風、そして「ばね」

力をものに伝える道具は、これで3つ目です。くらべてみましょう。

ゴムや風では、力の大きさを知るために車を走らせて距離を測るという遠回りが必要でした。ところがばねは、ばね自身の変化を見るだけで力の大きさが分かります。これは大きな違いです。

力は目に見えません。重さも、押す力も、引く力も、手で感じることはできても、そのままでは数字になりません。ばねの力は、目に見えない力を、目に見える「のびの長さ」に変えてくれる道具なのです。

この単元で学ぶ道具としての「ばねの力」は、ゴムや風とまったく同じ仲間です。力を加える物が、ゴムから風へ、風からばねへと変わっただけで、「力が大きいほど変化が大きい」という理科のきまりは、ずっと変わらず通用しています。

ばねを引くと、のびが増える

ばねの下に、重さの違うおもりを1個ずつつるして、のびの長さを調べます。変える条件はおもりの重さだけ。ばねの種類・つるす場所・測り方はそろえます。

結果を見ると、はっきりしたきまりがあります。

• おもりの重さが2倍になると、のびも2倍になる
• おもりの重さが3倍になると、のびも3倍になる

のびの長さは、力の大きさにきちんと比例する。これがばねの一番大事な性質です。中学校では「フックの法則」という名前で習いますが、3年生ではまず、実験で「比例している」という事実を確かめることが目標です。

ばねばかりのしくみ

算数で出てきたばねばかりを覚えていますか。ものをつるすと針が動いて、重さの目もりを指す、あの道具です。

ばねばかりの中には、まさにこの実験で使ったようなばねが入っています。ものをつるすと、ものを下に引く力の分だけばねがのびる。そのびの長さを、あらかじめ「10g」「20g」という目もりに直して表示しているのです。

つまりばねばかりは、ばねの「力の大きさとのびが比例する」という性質を、そのまま道具にしたものです。もし比例していなかったら、目もりを等間隔に並べることはできません。

ばね・ゴム・風をまとめて比べる

ここまでの実験をまとめます。3つとも「力が大きいほど、変化も大きい」という同じきまりに従っていました。

ゴムと風は「力を使って何かを動かす」道具でした。ばねは「力そのものを目に見える数字にする」道具です。使い方が違うだけで、3つとも力の大きさが変化の大きさを決めるという同じ仕組みの上にあります。

この「力の大きさを測る」という考え方は、6年生のてこのはたらきで、もっと細かく使われます。てこでは「どこに力を加えるか」と「力の大きさ」の両方が関係してきます。ばねで力の大きさを測る経験は、そこへの土台になります。

身近にある「ばねの力」

ばねは実験室だけの道具ではありません。身のまわりにも、たくさんの「ばねの力」が使われています。

• ノック式のボールペン　ボタンを押すと芯が出て、押す力をやめても芯は固定されたまま。中にばねが入っていて、芯を押し出したり引き戻したりしています。
• ベッドのマットレス　たくさんの小さなばねが並んでいて、体の重さを受けとめます。重い部分ほど、ばねが大きくのびます。
• 台所のばねばかり　食材の重さを量るとき、中のばねがのびて目もりを動かします。
• ドアのちょうつがい　ドアが自動で閉まるタイプには、ばねの力でもとの位置に戻すしくみが入っています。

どの道具も、力を加えるとばねがのびたり縮んだりし、力をやめると元に戻ろうとするという同じ性質を利用しています。身近な道具を見るとき、「これもばねの力かな?」と探してみると、理科の見方が広がります。

つまずきやすいところ

その1　ばね自身の重さでのびていると思う

「ばねが長いから、重いんじゃないか」と考えてしまう。
のびを決めているのは、つるしたおもりの力です。ばね自身の重さは、実験の最初に「何もつるさない長さ」として測っておき、のびはそこからの増え分だけを比べます。

その2　どこまでもびる続けると思う

比例のきまりを見ると「もっと重いものをつるせば、もっとのびる」と思いがちですが、ばねには限界があります。のびすぎると、元の長さに戻らなくなったり、切れてしまったりします。ゴムが伸びすぎると切れるのと同じです。

その3　比例と「同じ数だけ増える」を混同する

「10gで2cm、20gで4cm」を見て「10g増えるごとに2cmずつ増える」と覚えてしまうと、重さが0gでない別の実験で間違えます。正しいのは「もとの何倍か」という比例の関係です。表や図で、2倍・3倍の関係を確かめる習慣をつけましょう。

やってみよう