物理の問題と思いますが・・・

Question

物理の問題と思いますが、、、、、、
例えば、
質量500gの物体がコンベヤ上を速度15m/minで流れているとします。

このコンベヤ上の途中にストッパがあり、ストッパに物体がぶつかった時に、
ストッパにはどれくらいの力がかかるのでしょうか。

F=maでいいのでしょうか。

また、この流れている物体にひもを付けて、ばね秤と結んだ際、
ばね秤の示す値は何kgくらいになりますでしょうか。

宜しくお願い致します。

Answer

＞ このコンベヤ上の途中にストッパがあり、ストッパに物体がぶつかった時に、
＞ ストッパにはどれくらいの力がかかるのでしょうか？
回答（４）さんや（５）さんのような考察にて、小生も対応します。
貴殿でも『力積』をネットにて用語検索して、理解を深めてください。
簡単なURLを記しておきますので、確認下さい。
（左の大項目や中項目、小項目にて類似内容が確認できますので要確認）

＞ また、この流れている物体にひもを付けて、ばね秤と結んだ際、
＞ ばね秤の示す値は何kgくらいになりますでしょうか？
この内容は、吊り下げ用のばね秤又はプッシュプルゲージのプル側を使用して、
ゲージがMAX値でロックするモードで使用するのでしょうか？
（吊り下げ用ばね秤を使用する場合は、ストップウォッチ併用でビデオ録画した方がよい）
この場合は、ばね式の緩衝材を使用した内容と同じで、ばね秤に荷重が掛かった時から
ばねがMAX伸びた時間を計測し、『力積』考え方でその計測時間で割れ（÷）ばMAX値
が算出できます。
その後は、質量500gの物体×コンベヤ上の摩擦係数＝　にての荷重が掛かって
物体がコンベヤ上を滑っている状態となります。

Answer

回答（4）さんの内容に補足します。設計上の衝撃荷重の見積もりには、経験
値を用います。ばねなどを用いて停止時のたわみを推測できる場合は停止時の
加速度が推参できますから、作用力はF=maで求められます。弾性衝突により、
急停止する場合は、力積の式で算定しますが、Δｔは構成する機械の剛性に
依存しますから、それを推定するのは極めて難しいと思われます。
チャンネルフレームを主とする機械ならば、私は目安として
Δｔ＝1～1/100secに採っています。

Answer

衝撃荷重を求めるには，力積と運動量変化の関係を使います。
　　ｍΔｖ＝ＦΔｔ
　　ｍ：質量
　　Δｖ：速度変化，壁にぶつかる場合，衝突前と衝突後の速度の差
Δｔは正確に求めるのは難しいですが、（高速度カメラなど）
　硬いもの同士の衝突：０．００１～０．０１秒
　ある程度硬いもの：０．０１秒程度
　ボールなどの比較的柔らかいものの：０．０１～０．１秒
程度です。

ひもをつけた場合のバネの荷重は、
コンベアが一定速度で動いているのであれば、
コンベアと物体の摩擦力（摩擦計係数）が必要です。
たとえば摩擦が０であれば、バネの伸びはありません。

Answer

直接の回答ではないですがちょっと気になったので。実用工業の世界を高校物理（科学）で解決しようとするような質問が多い。
確かに高校物理で解けるはずですが教科書はあくまでエッセンスであって工学書ではないですから。
微積分も無いでしょ。今の高校は多分。
原理だけでアポロ飛ばないし、自動車も走らない。
科学と工学の間にはとっても深い溝があります。大学４年でも超られない、
現場１０年、２０年かかる世界です。

Answer

＞F=maでいいのでしょうか。

回答(1)さんが、過去の例を示しているので、それらを参考にしてご自身で
計算して下さい。a＝15m/minではありません。“a”の値をどのように求め
るかが課題であることを実感して下さい。

＞ひもを付けて、ばね秤と結んだ際

ばね秤をどこで保持することを想定なさっていますか？
ご所望の“力”を測定するには、ばね秤自体、コンベア上で質量500gの物体
と一緒に動くような支持の仕方を想定しているのでしょうか？
回答(1)さんは、紐の弾性を指摘なさっていますが、まずは、ばね秤自体の
ばね定数を考慮することが必要と思います。

ばね秤による測定は、“F”を実証するために一つの方法として想定した
ものと思いますが、そんなに単純ではないと思います。実際に、思った
ように測定できるか、やってみることお勧めします。

ばね秤について、整理できていない回答をしてしまったようですが、
お問い合わせになりたいことは、紐にゆとりを持たせてコンベア上に物体
を流し、紐がピーンと引っ張られたとき、ばね秤が指示する値は、物体が
ストッパに衝突したときの力に等しいかということでしょうか？

そうであれば、回答(1)さんのお示しの通りで、ばね秤が示す値は、衝突し
たときの力よりはずっと少ない値を示すと考えられます。

なぜならば、ばね秤は、ばねが伸びることで力を発生して、与えた力と
釣り合うところを目盛りとして読むものですから、ストッパよりずっと
柔らかに物体の動きを止めることになります。

この性質は、ばねには緩衝作用があると表現してもよいですし、ばね性は、
回答(4)(5)に記載されているΔtを長くする作用があるといってもよいもの
です。

結論として、ばね秤では、正しく衝撃力を測ることはできないとお考え頂く
ことが適切と思います。
衝突したときの力を実測したいのであれば、できるだけ小さな偏位で力を測
定できるロードセルを使うことがベターと思いますが、ロードセルにもある
程度のばね性がありますから、直接衝突させた場合とは条件が完全に一致
する訳ではありません。

先の回答では、ばね秤をどこで保持するかを補足として質問しましたが、上
記のような内容であれば改めて説明を加えて頂かなくても結構です。私の理
解とは異なることをお問い合わせであれば、ぜひ補足説明をお願い致します。

>>a＝15m/minではありません。
>a=0.25m/s^2 でしょうか。

15m/minは、毎分を毎秒に変換すれば、0.25m/sになります。
0.25m/s^2ではありません。等速運動であれば加速度aはゼロです。

仮に、0.25m/sで動く物体が１秒の減速時間で静止するとしたら、平均減
速度（加速度）は0.25m/s^2です。
0.01秒の減速時間で静止するとしたら、平均減速度（加速度）は25m/s^2
ということです。

言うまでもなく、物体に加わる力Fは、F＝maで求められます。

等速運動から、静止するまでの時間を見積もることが重要であることが実感
できたでしょうか？

コンベヤ上で物体がぶつかった時の力とばね秤の値について