光弾性を使った力の教材化

光弾性を使った力の教材化　　　　　　　　　　　　　　　　

箕面市立第五中学校　　石田悦子

１. はじめに

　中学校１年力の学習時、机の上の本にはたらく力を考えさせ「抗力」という語を説明する際に、「机が本を押し返す力」という概念が生徒には実感としてわいていない不消化の段階で、「抗力」の矢印を書いてすすめてしまっている現状がある。力が目に見えないためにますます力学ぎらいをうみだすことにもなっている。何とかしてこの分野を目に見える形で理解を深めさすことができないかと考え光弾性に取り組むことにした。

　さらに、力の基礎学習後、力学を基礎にした技術への道も発展学習として取り入れられないかと工夫を試みた。

２. 光弾性を使って抗力を説明するための教材

　透明なプラスチックを透過軸が直交する２枚の偏光板の間に置き、プラスチックに応力を加えると、プラスチックの分子が一定方向に並びやすくなり、複屈折の性質を帯びる。その結果、透過光には加えられた応力に応じた縞模様が現れる。この現象を光弾性と呼んでいる。光弾性は材料の歪みや応力分布を知る手段として利用されている。

偏光板２枚（光源側が偏光子、観測者側が検光子、２つの偏光板の透過軸は直交さす）と光源（太陽光、蛍光灯、白熱電球、いずれも可）と試験片の透明スーパーボール（直径45ｍｍ）を用意し図１に示した装置を組み、観察する。　　[なお偏光板の透過軸とは、偏光板が光の振動を通過させる軸]

　写真　①

実験台上に置いた透明スーパーボールの台に接触している部分が写真①のように色づいてみえることから、机から透明スーパーボールに力がはたらいていることが実感させられる。

３. 身近な透明物体を使って力の伝わり方や歪みを観察させる教材

（１）図１と同じ装置で試験片として透明軟質塩化ビニル（テーブルクロス）を使って、引っ張ったり、ねじったりして観察する。写真②は厚さ３ｍｍの軟質塩化ビニルをねじってから両端を引っ張ったときのものである。その結果ねじっているすべての部分に力が作用し歪みが観察される。

写真　②

写真　③

（２）図１と同じ装置で試験片として寒天を使って観察する。写真③は同じ大きさの固めの寒天２個をつくり、重ねて上から指で押したときのものである（光源は蛍光灯）。下段の寒天に歪が及んでいる様子が観察される。

（３）ゼリーを固めにつくって同様の実験をしたが、すぐに破壊され適当な材料にはならなかった。

４.　２力のつりあいを観察させる教材

　厚さ２mmの軟質塩化ビニルを幅20ｍｍぐらいで適当な長さに切って、OHP用のタングステンハロゲンプロジェクターランプ（以下ハロゲンランプという）を光源にして、偏光板の透過軸を45°傾けた間に置いてスクリーンに映し出す。テーブルクロスの両端を引っ張って静止させたとき、スクリーンに映し出した色が、小さい力の時は全体が均一に青色になり、力を大きくすると黄色にかわり、さらに大きくすると橙色になる。色が均一ということで、つりあいのイメージをふくらますことができるのではないかと考えられる。

５. 力の大きさを変化させていくときの連続的変化を観察させる教材

（１）白色光であるハロゲンランプを光源として、その上に２枚の偏光板（透過軸直交）をおき、偏光板の間に透明スーパーボールを入れて指でいろんな方向から力を加えてみると歪の様子が色模様となって観察できる。そのビデオ撮影の一部が写真④である。

写真　④

（２）単色光であるナトリウムランプを使って（ただし、光源と偏光子の間に図２のようにフレネルレンズを置く）、透明スーパーボールを上下２点で押してみると左右対称のきれいな暗黒線の縞模様が見られ、その縞数が増えていくのが観察できる。そのビデオ撮影の一部が写真⑤である。

写真　⑤

６. 白色光と単色光の比較実験

（１）光源にはハロゲンランプを用い、偏光板の間には、四角形のアクリル板（30×30×９ｍｍ）をおき、そのアクリル板を図３のような装置でナットを締めながら１点（釘の部分）に大きな力を加えていく。その結果の一点近くの写真が⑥である。

写真　⑥　　　　　　　　　　　　　　　　写真　⑦

（２）光源にはナトリウムランプを用い、（１）と同様に実験をする。写真⑥と同じ力をかけた時が写真⑦である。（１）と（２）から、光弾性を解析していくには色模様では複雑であり、単色光の暗黒線縞数が適当と判断される。　　　

７. 暗黒線縞数と荷重量との関係を求める実験

　[ ナトリウムランプ光源のもとでの透明スーパーボールの暗黒線縞数の増減について考えられること]

荷重と暗黒線縞との状態は、上下の圧縮荷重を徐々に増加していくと、荷重２点より互いに円形状の暗黒線縞が次々と現れ、中心にむかってふくれあがる。そして荷重点から出た同じ縞が中心で互いに相接した後、左右に分かれて横方向の端に向かって移行していく。いま、図４のように、球あるい

１

は円板の外周の暗黒線から順に１次２次と線の数を数えると、荷重が大きくなるにつれて暗黒線の数が増加する。（矢印部が荷重点。）そこで、中心部における縞数と荷重との関係を求めてみる実験に取り組んでみた。

[方法]

（１）実験装置は図２と同じものを用い、試験材料としては、直径45ｍｍの透明スーパーボールを用いる。その上にアルミ板（177.8ｇ）をおき、更にその上におもりをのせて荷重変化に対する中心部の暗黒線縞数を読み取る。

（２）（１）と同様の方法で、試験材料としては、厚さ10ｍｍ直径20ｍｍのアクリル円板を用いる。これを万力の間にはさみ圧縮していく。荷重量の相対値として、万力を何度回転したかで荷重量に代える。

　[結果]

（１）と（２）の実験結果をグラフ化したものが図５と６である。

　[考察]

　　図５から、スーパーボールにはも　ともと少し歪があったものと思われ

る。約1000ｇまでの荷重の範囲内では暗黒線縞数と荷重量とは直線関係

があることがいえる。また、1000g以上ではスーパーボールの変形

が大きくなりすぎたために、荷重に応じた歪みが発生しないものと思わ

れる。

。

図６から暗黒線縞数と荷重（相対値）との間に直線関係が成立している。

８. 力に耐える構造物への発展学習の教材化

　図８のようないろいろな形の構造物に似せたものを厚さ２ｍｍ程度の軟質塩化ビニルでつくって、図７のように、２ｍｍ程度の隙間を空けた２枚の偏光板の間に挿入して、力を加え歪みぐあいをみる。ただし加圧の際に試料がねじれないように、偏光板の外側をアクリル板で押さえを施してある（図９）。光源は白熱電球を使用し、観察結果は写真⑧⑨⑩である。これによって構造物のどこに歪みが集中しているかがわかる。

写真　⑧

写真　⑨

写真　⑩

９. 光弾性を観察するのに最も適する材質と成型について

　スーパーボールでは軟らかすぎ、アクリルでは硬すぎる。その中間ぐらいの材質で加工成型しやすいものとして、エポキシ樹脂に注目した。成型したい型枠に離型剤を薄く貼付し、主剤と硬化剤を良く混合して型枠に流し込み、１～２日放置する。このように成型したエポキシ樹脂の四角板（75×40×５ｍｍ）の3点を図３のようにして加圧したものを、ハロゲンランプとナトリウムランプで観察してみた。その写真が⑪⑫である。その結果小さな力で歪みが発生するために、光弾性の感度が非常に高かった。ただ、残念なことに力をかけすぎると元に戻らないので再利用はできない。また、柔らかいので加工が楽にできる利点があることもわかった。