輪ゴムにはどれくらいのエネルギーを蓄えられるでしょうか？もちろん、答えは輪ゴムのサイズによって異なります。
もちろん、ここで私が言っているのは、エネルギー貯蔵材料のエネルギー密度、つまり比エネルギーです。エネルギー密度は単位体積あたりのエネルギーとして定義され、比エネルギーは単位質量あたりに貯蔵されるエネルギーです。最近、ガソリンとバッテリーを車の動力源として使用する場合のエネルギー密度について記事を書きました。しかし、ご存知の通り、理論的には、輪ゴムなど、何でも車を動かすことができます。では、輪ゴムのエネルギー密度はどのようにして測定するのでしょうか？
まずは、簡単な輪ゴムを引っ張ってみます。輪ゴムの素晴らしいところは、理想的なバネに似ていることですが、厳密にはそうではありません。バネと輪ゴムはどちらも特別な性質を持っています。引っ張る力が大きければ大きいほど、伸ばすのに必要な力も大きくなります。つまり、輪ゴムを引っ張る力は伸びた距離に比例すると言えるでしょう。この比例定数はバネ定数と呼ばれ、k（単位はN/m）という記号で表されます。
バネに蓄えられるエネルギーは、バネが伸びる距離とバネ定数の両方に依存し、次の関係があります。
輪ゴムが「バネのような」性質を持っているかどうかを確認し、バネ定数を測定する必要があります。机の引き出しに入っている輪ゴムや、鉛筆をまとめて留めている輪ゴムなど、一般的な輪ゴムの実際のデータはどうでしょうか？
伸びた距離と力（バネのように）はほぼ直線関係にあることがわかります。この直線の傾きはバネ定数で、値は90.8 N/mです。つまり、輪ゴムを約20cm（破断点付近）伸ばすと、1.8ジュールのエネルギーが蓄えられることになります。
でも待ってください！バネにエネルギーを蓄える別の方法があります。ゴムバンドを伸ばす代わりに、ねじるのです。ご存知の通り、ゴムバンドで動くバルサ材の飛行機の仕組みです。ゴムバンドを伸ばすのではなく巻き上げることの利点は、エネルギーを蓄える際にそれほどスペースを取らないことです。また、巻き戻す際にも、伸ばす場合よりもはるかに制御された方法でエネルギーを放出します。
しかし、バネが伸びなければバネ定数を測定するのは非常に困難です。そこで、別の方法を試します。輪ゴムをねじるのに必要なトルクを測定すれば、直線的に伸びた輪ゴムの場合と非常によく似た結果が得られます。この場合、回転軸から一定の距離にフォースプローブを配置することで、ねじりトルクを測定できます。トルクと回転角度の関係を示すグラフがこれです。
これは、伸張と力の関係と同じように、かなり直線的な関係のように見えます。この線の傾きは、ねじり角度とトルクの関係を示しています。これを回転バネ定数（k r）と呼びます。この輪ゴムの回転バネ定数は3.68 x 10 -5ニュートンメートルです。この式を使って全エネルギーを計算できます（宿題として導出することもできます）。
では、この方法で輪ゴムにどれだけのエネルギーを蓄えられるでしょうか？輪ゴムは100回転しても切れません（111回転で切れました）。つまり、合計7.2ジュールのエネルギーを蓄えられることになります。これは奇妙ですね。伸ばすよりもねじる方がより多くのエネルギーを蓄えられるようです。
エネルギー密度を計算する前に、まず輪ゴムの体積が必要です。輪ゴムを切ると、非常に細長い直方体になります。必要なのは、長さ、幅、高さを測るだけです。この輪ゴムの体積は8.1 x 10 -7 m 3 です。つまり、輪ゴムのエネルギー密度は、伸ばすときに2.2メガジュール/m 3 、ねじるときに8.9メガジュール/m 3となります。これは大きなエネルギーに思えるかもしれませんが、ガソリンのエネルギー密度は34ギガジュール/m 3であることを思い出してください。
ところで、比エネルギーはどうでしょうか？繰り返しますが、これは単位質量あたりに蓄えられるエネルギーです。輪ゴムの質量は1.09グラムです。つまり、伸張時の比エネルギーは1651 J/kg、ねじり時の比エネルギーは6605 J/kgとなります。これは役に立つでしょうか？輪ゴムで動く車を作るなら、もちろん、とても役に立つでしょう。
巨大な輪ゴムを使ったらどうなるでしょうか？オフィスでこの特大の輪ゴムを見つけました（用途は分かりませんが）。比較のために、エネルギー密度の計算を簡単に繰り返します。ねじりトルクと回転角度の関係を示すグラフがこれです。
この太めの輪ゴムの回転バネ定数は、予想通り通常サイズの輪ゴムよりも高く、4.92 x 10 -4 N*mです。これを100回回転させるとすると、97.1ジュールのエネルギーを蓄えることができます。もちろん、蓄えられるエネルギーは大きくなりますが、体積も大きくなります。寸法を測定し、体積を計算すると、エネルギー密度は6.4 MJ/m 3となりました。これは、小さな輪ゴムとほぼ同じエネルギー密度です。これはかなりすごいですね。この測定を、様々な種類の輪ゴムで繰り返す必要があるかもしれません。あるいは、宿題として残しておいてもいいかもしれません。
