研究ノート
連鎖バネ系に於ける接触予兆の観測と
統計分析

2026.8.19
五十川晋一

目的

 既研究ノート、物質破壊(崩壊)の予兆解析では物理機能モデル手法を用いた環状4連バネモデルを作成した。
本研究では4つのバネの間に実体の無い空間を模擬したバネモデルを挿入し、環状8連バネモデルとしたところ、実体のあるバネモデル同士が接触する現象が見られた。
接触に至る過程を明らかにし、その予兆について考察する。
なお、物理機能モデル手法の詳細は補足資料に示した。

もくじ

●柔らかい物質について
●空間バネについて
●モデルの考え方
●机上実験
 ・パラメータ
 ・試験条件
 ・結果
●考察
 ・接触なる現象の力学的意味
 ・エネルギに着目する
 ・パワに着目する
 ・メトロノームの同期現象との類似
 ・パワ流出偏向の明瞭化
 ・復元力周期ばらつき収束の統計分析
 ・エネルギ増加現象について
 ・補論:現実界に見られる柔性H=H(t)
●まとめ
●参考文献

柔らかい物質について

 Fig.1参照
物質は点ではなく、長さ(空間)を持つ。
密度は均一ではなく、質点(重心)は物質内を移動する。
力fは質点に作用する=ニュートンの運動の法則
復元力fiは相対速度vrによって生じる=フックの変形の法則
物質は変形=伸縮しながら運動する。
これは物体全体が運動するか否かに関わらず、物体内部で質点が運動していると言う事である。
柔らかさ=柔性とは剛性の逆数であり、相対的なものである。
物質の質量に対して相対的な柔らかさという意味である。
こうした見方をする時、物質は粒子と波動の性質を併せ持つ。
[1]


Fig.1

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空間バネについて

  既研究ノート、電子レンジの物理モデルでは、電磁波が実体の無い空間*1の中を伝播し、対象物体にエネルギを与える事実から、空間は実体が無くてもエネルギを伝播する機能を持っている、と述べた。
そして、既研究ノート、重力発現モデルに於いて、実体の有る二つの物体に挟まれた実体の無い空間についてもバネとしてモデル化した。
このように筆者は実体の有無を問わず、空間をバネとしてモデル化している。
本報では便宜上、次の呼称を使う。

・実体の有る空間=実体バネ
・実体の無い空間=空間バネ

バネは質量mと柔性Hなる物理特性を持つが、以下の様に区別している。

表1実体バネ空間バネ
質量m(Kg)定数実体バネ側の質量mが投影された仮想値=定数
柔性H(mN−1定数2つの実体バネの隣接距離Lに比例する変数=状態量

空間バネの柔性Hが変数=状態量とは次のような性質を持つ。

・実体バネは伸縮する→2つの実体バネの隣接距離L、すなわち空間バネの長さLは時間と共に変化する。
・従って、空間バネの柔性H = H(t)という関係にある。
・言い換えるとフックの法則から、空間バネの柔性Hは自らの長さL、復元力fに依存し、お互いに三つ巴の関係にある。

こうしたバネ連鎖はお互いの伸縮の影響を被り合う状況にある。

*1:物理学の分野では慣例的に真空と呼んでいる。

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モデルの考え方

 Fig.2に示すように、実体バネ+空間バネが交互に連なる8連構成になっている。
更に、両端のバネ同士が結線されて循環バネを形成しており、浮遊、静止しながら伸縮する状態となる。
このようなバネ連鎖とした意図は以下の通りである。

・身の回りに見られるバネが単独に存在するケースは稀であり、機械=システムを構成する一要素である。
・現実界では、バネは一端が固定されて初めて機能する。
・バネを固定している部材は剛体と見なしているが、厳密にはこれも柔性を持つバネである。
・バネを原子単体レベルまで微細化すると、原子同士は互いに原子間距離を保ち、接触しない。

以上から、本報で用いるモデルは真空中に浮遊、静止しながら伸縮する原子4個分の物体という見方も出来る。


Fig.2

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机上実験

●パラメータ
バネ単体
・質量m:1.0e−3(kg)
・柔性H:1.0e−4(mN−1
・自由長:0.1 (m) (伸縮無し=熱エネルギゼロ時)
・実体バネ同士の隣接距離=空間バネ長さL:0.1(m)
・比熱Cp:449.5(JKg-1k-1) (鉄の比熱)
・環境温度=バネ初期温度:1°(k)
・重力:0(N)=無重力=当該8連バネの周囲に質量を持つ物体は存在しないと言う意味である。

●試験条件
・サンプリング時間:0.01msec
・観測時間:1.5秒間
・実体バネ端部には環境温度とバネの質量、比熱から計算される熱エネルギと等価な速度を印加する。
 熱エネルギ等価速度の求め方は補足資料9参照。
・印加速度は疑似乱数を用いて試行毎に異なる値が設定される。

●結果
 Fig.3に試行の一例を示す。

Fig.3
x軸:時間、y軸:各バネの長さ、位置に取った時系列波形である。
凡例は実体の有無を問わず、バネ1:赤、2:黄、3:緑、4:空色である。
・左上:各バネ端部の位置(変位)を示す。白丸は実体バネ3、4が接触している様子を示す。
・右上:実体バネ+空間バネ長の総和=全長を示す(白線)。
・左下:各実体バネ長を示す。
・右下:各空間バネ長を示す。白丸は空間バネ3の長さ=ゼロ=潰れている様子を示す。

 この様相を以下にまとめる。

・実体バネ長は一様に増加する。
・空間バネ長は一様でなく、いずれか一個のバネのみ減少が進行する。
・その過程で時間に対する減少の傾きが変わるタイミングがあり(白矢印)、右上のバネ全長にも兆候が現れている。
・全長は減少している事から、空間バネは実体バネ長増加分を相殺して収支は負に転じたと見られる。
・n回の試行で、実体バネ同士の接触はどのバネでも起こるが、その他の様相は同じである。

これらの現象についてメカニズムを考察する。
なお、接触が起こると空間バネの柔性H=ゼロ=完全剛体となり、理論的に復元力=無限大となる。
本報ではこれを特異点と呼ぶ事にし、計算はここで終了としている。
また、1.5秒間の観測時間内で実体バネ同士が接触しないケースも出てくるが、観測時間の増加と供に接触の発現率が高くなる傾向が見られた。

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考察

●接触なる現象の力学的意味
 接触とは一般的には二つの物体の隣接距離がゼロになる状態を指すが、分野によって以下の様に解釈が異なる。

・数学的にはお互いに離れたA,B両点で定義される空間の距離がゼロ。
・量子論的には原子同士は互いに接触せず、原子間距離を維持しており、接触常態を定義していない。
・力学的には冒頭の柔らかい物質について、で述べたように、空間は点ではなく長さを持ち、伸縮している。

机上実験に於ける接触なる現象は、距離以外の物理量で定義出来る別の現象由来ではないか?と言う見方である。
例えば、弾丸がめり込んだ鉛塊は、接触はしているが鉛塊は変形している。
変形しているからには内部で力が作用している、という見方である。

●エネルギに着目する
 ここで、一旦、距離(m)という物理量で定義される接触現象は置いておき、それ以前に何が起きているのか?を探るべく、まずエネルギに着目する。
物質全般、伸縮している空間に蓄えられる力学的エネルギEは以下のように定義される。

Ev = 1/2 m・v2   Ev:速度(運動)エネルギ、m:質量、v:バネ端部速度               (1.1)
Ef = 1/2 H・f2  Ef:力(変形)エネルギ、H:柔性、f:バネ復元力                 (1.2)
E = Ev + Ef = const. (1.3)

質量m、柔性Hが定数の時に式(1.3)は対になったエネルギの和は常に一定となる事を示している。
これは力学の双対性を現し、伸縮する物質に限ったエネルギ保存則と呼べる。補足資料1参照

 Fig.4に机上実験の観測で得られたバネ端部速度v、復元力fを基にエネルギを算出した結果を示す。
実体バネについては質量m、柔性Hが定数ゆえに蓄積量である。
一方、空間バネについては柔性H=H(t)であり、式(1.3)が成立するとは言い切れない。*2
従って蓄積量とは呼ばず、その時点の伝播状態を示す指標と見なす。

*2:別途、考察で触れる。


Fig.4
x軸:時間、y軸:各バネのエネルギに取った時系列波形である。
凡例は実体の有無を問わず、バネ1:赤、2:黄、3:緑、4:空色である。
・上段:実体バネを示す。全て増加傾向を示す。
・下段:空間バネを示す。全て増加傾向を示すが、バネ3のみ途中から減少に転じている。(白丸)
    エネルギ増加→減少に転じるタイミング(白矢印)はFig.3の長さの変化に見られる白矢印とほぼ等しい。

 この結果から接触に関与する空間バネには接触以前にエネルギ増加→減少に転じる前段階があると見られ、以下の推論を行った。

・実体バネ/空間バネで構成される環状のバネ連鎖に速度を印加するとお互に距離を置きながら伸縮し始める。
・この伸縮は時間の経過と供に空間バネを介して実体バネ同士でエネルギの交換が行われている。
・時間経過と供に空間バネの内、一つがエネルギ減少に転じている。
・エネルギ量は時間に対するエネルギ(J)の傾き=各バネへのパワ(J/s)の流入/流出量としても表せる。
・パワの流入/流出は伸縮周期に依存し、エネルギの減少はパワ流が流出>流入と偏っている筈である。
・従って、エネルギの減少はパワ流出偏向の結果として現れた、という見方である。

 なお、パワ流の流入/流出とは自動車で言えば次の状態に相当する。

・坂を上っている=エンジン→路面にパワが流れる=車は位置エネルギが増加。
・坂を下っている=路面→エンジンにパワが流れる=車は位置エネルギが減少。

●パワに着目する
 エネルギ減少傾向は空間バネのみに現れるので、そのパワを観測した結果をFig.5に示す。


Fig.5
x軸:時間に取った時系列波形である。
凡例はバネ1:赤、バネ2:黄、バネ3:緑、バネ4:空色である。
・上段:パワ変動を示す。この波形だけでは流出>流入に偏るかどうかは判別できない。
・中段:パワ変動について1msec幅の移動窓を設定して各窓毎に流入、流出状況を観測する。
    パワの正負符号から流入/流出に分け、窓毎に比率rを算出しプロットする。
    r=流入時間/(流入時間+流出時間)と定義する。
    比率=1:流入が100%、比率=0.5:流入=流出、比率=0:流出が100%である。
    窓の中には比率=1=流入が連続するケースが見られる。
    一方、比率=0=流出が連続するケースは見られない。
・下段:各窓内の比率を積算しプロットする。
    バネ3のみ積算値の増加が乏しく、相対的に他のバネに比べ流出に偏っている事が判る。

 この結果を以下にまとめる。

・実体バネ/空間バネで構成される環状のバネ連鎖に速度を印加するとお互に距離を置きながら伸縮し始める。
・この伸縮は時間の経過と供に空間バネを介して実体バネ同士でパワの流入/流出が行なわれる。
・時間の経過と供に、一か所の空間バネだけ流出偏向が起きる。
・エネルギ減少、伸縮振幅減少、長さ減少が進行する。
・最終的に空間バネはバネとして機能出来なくなり、両隣の実体バネ同士が接触したものと考えられる。

●メトロノームの同期現象との類似
 時間の経過と供に一か所の空間バネだけパワの流出偏向が起きるという現象から、筆者は複数のメトロノームで起きる同期現象を連想した。
離れて存在する複数のメトロノームが時間の経過と供に揃い始めるという現象である。
これはお互いに同じ床上に置かれる事で、床を介して微小な振動パワの流入/流出が行われている状況と言える。
また、1970年代に化学反応や生体振動子がなぜ突然同期するのか?というテーマから導出された蔵本モデルは、数学的に単純化した正弦波を用いて位相の同期が起きる事を理論的に説明している。
本報の机上実験で観測された実体バネ同士の接触現象はメトロノームの同期現象とは異なるが、以下の共通点がある。

・時間の経過に伴って起こる。
・相互間のパワの流入/流出がある。
・接触現象、メトロノーム同士の同期現象を期待するか否かは別にして、人間の意思とは無関係に起こる。

 但し、本報では位相同期を評価しておらず、蔵本モデルとの対応関係は今後の課題である。

●パワ流出偏向の明瞭化
 Fig.5ではパワ流出偏向の様相を捉える事は出来たが、更に明瞭に表せる視点は無いかを探るべく次の観察を行った。
パワ変動波形にはうなりの周期が変化している気配は見られるが、念のためパワを力と速度に分解して観測した。
Fig.6にその結果を示す。


Fig.6
x軸:時間に、y軸:各物理量に取った時系列波形である。
・左側:上段:パワ、中段:力、下段:速度の変動波形である。
・右側:各変動波形に1msec幅の移動窓を設定して各窓毎に周期の標準偏差σを算出する。
    初期σに対する比率をプロットしている。
    なお、白丸は接触時刻を示す。

 どの物理量についても周期の標準偏差σが急に減少=収束する傾向が見られ、中でも力が最も明瞭である(白矢印)。
この白矢印のタイミングはFig.3の長さ、Fig.4のエネルギで示した白矢印のタイミングとほぼ合っている。
この復元力周期ばらつき収束はパワ流出偏向の力学的背景を示唆する現象と考えられる。
蔵本モデルは数学的に位相の同期を示しているが、本机上実験では力学的に空間バネの復元力周期ばらつきが収束する様相を示している。

●復元力周期ばらつき収束の統計分析
 復元力周期ばらつき収束がパワ流出偏向やエネルギ増加→減少より明瞭に現れた。
これを受け、机上実験を100回行い、以下を抽出し、統計分析を行った。

・σt:復元力周期ばらつきが収束する時刻
・Ct:接触時刻
・⊿t:両時刻の差 = Ct - σt

Fig.7に結果を示す。


Fig.7
100回中、1.5秒間の観測時間の範囲で接触が起きたのは70回であった。
・左上:σtのヒストグラムである。
・右上:Ctのヒストグラムである。
・左下:⊿tのヒストグラムである。
・右下:x軸:Ct、y軸:σtに取った散布図であり、相関係数R=0.846である。

 この結果を以下にまとめる。

・σtはほぼ正規分布様である。
・Ctも同様である。
・これらは初期条件の乱数に応じたばらつきと考えられる。
・両時刻の差⊿tは正側に分布しており、復元力周期ばらつき収束は全て接触時刻以前に起きている。
・復元力周期ばらつきが収束する時刻と接触時刻には強い相関が見られる。

 以上から、接触現象を期待するか否かは別にして、復元力周期ばらつきの収束を接触の予兆と捉える事が出来る。

●エネルギ増加現象について
 Fig.4では実体/空間両バネのエネルギが増加傾向にある事を示した。
先に式(1.3)はエネルギは常に一定になる事を示しているが、既研究ノート、ド・ブロイ波の力学的解釈で示した様に、複数のバネ連鎖では個々のバネのエネルギは一定ではないが、その総和は一定となる事が判っている。
ここであらためてその性質を確認しておく。
Fig.8-1~2にその結果を示す。


Fig.8-1
 x軸:時間、y軸:4個の実体バネが蓄えるエネルギの総和に取った時系列波形である。
・上段:実体バネ+空間バネの8連鎖であり、変動を伴い増加傾向にある。
・下段:実体バネのみの4連鎖であり、一定である。

 この結果から、空間バネを挟むと実体バネのエネルギの総和を取っても一定にならない事が判った。
冒頭の「空間バネについて」で空間バネの柔性Hは定数では無く、状態量H=H(t)であると述べた。
この為、式(1.3)そのままではエネルギ保存性が評価できない可能性が考えられる。
直近の追加観察では、実体バネ/空間バネのエネルギ増加はお互いに相補的に現れる傾向が見られており、保存則との関係は継続調査中である。

●補論:現実界に見られる柔性H=H(t)
 本節は力学的考察では無く、柔性H=H(t)の概念理解を助ける為の比喩である。

・社会は人と人とのコミュニケーションで成り立つが、理性=数式だけでは割り切れない。
・付和雷同という言葉があるが、個人の気持ち=感性は周囲の人に左右される。
・感性とは定数ではなく、その場の状況~雰囲気に左右される。
・駅で電車に人が乗り込んでくれば、お互いの距離は縮まり、同時にストレスが蓄積される。
・隣の人と接触が起きると脳が反応する=神経発火。
・柔性Hとは剛性Kの逆数であり、感性=心の柔らかさに喩えられる。

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まとめ

 原子同士は隣接距離が保たれ、互いに接触しないという説を参考に、実体バネ/空間バネを交互に繋いだモデルを作成し、以下の知見を得た。

空間バネの一つにパワ流出偏向が現れ、エネルギ減少が観測された。
パワ流出偏向となった空間バネは収縮し、両隣の実体バネは接触する。
復元力周期ばらつきの収束を観測する事でパワ流出偏向がより明瞭に捉えられた。
復元力周期ばらつきが収束する時刻と接触時刻には正の強い相関が見られる。
復元力周期ばらつき収束は接触現象の予兆指標となる。
実体バネのみの場合、蓄積エネルギの総和は常に一定だが、空間バネを挟むと増加現象が見られる。
その力学的機構については今後の課題である。

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脚注・参考文献

脚注:
[1]:機械学会交通物流部門 連続講習会No.24-53 資料
  "物体の柔性が粒子と波動性に及ぼす影響"  五十川晋一 著 2024年 P15

参考文献:
・角田鎮男 ほか:製品開発のためのモデル化手法(展開と統合) 日本機械学会 [No.98 8]
 機械力学・計測制御講演論文集 98.8.17 20 ・札幌 )
・機械の力学 長松昭男 著 朝倉書店刊 2007年
・複合領域模擬のための電気・機械系の力学 長松昌男、長松昭男 共著 コロナ社刊 2013年
・次世代のものづくりのための電気・機械一体化モデル 長松昌男 著 共立出版刊 2015年
・機械学会交通物流部門 連続講習会No.12-5 資料
 "機械ー電気の統合モデルによるモデルベース開発" 角田鎮男 著 2021年
 "機械工学から見た相対性理論" 五十川晋一 著 2021年
・機械学会交通物流部門 連続講習会No.22-80 資料
 "機械工学から見たブラックホール" 五十川晋一 著 2022年
・機械学会交通物流部門 連続講習会No.24-53 資料
 "物質の柔性が粒子と波動性に及ぼす影響"  五十川晋一 著 2024年
・ホーキング、宇宙を語る―ビッグバンからブラックホールまで  林一訳 ハヤカワ文庫NF  1995年
・タンパク質の音楽 深川洋一 著 ちくまプリマーブックス  1999年
・地殻破壊の前兆現象としての電磁放射の特性に関する研究 藤縄幸雄 著 1995年
研究ノート 物質破壊(崩壊)のモデル化 五十川晋一 著 2025年
研究ノート 重力発現モデル 五十川晋一 著 2025年
研究ノート 電子レンジの物理モデル化 五十川晋一 著 2025年
研究ノート 物質破壊(崩壊)の予兆解析 五十川晋一 著 2026年

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