どんなものを「ばね」というのかを考えてみましょう。
物体には、「弾性」と呼ばれる力が加わって変形しても元に戻ろうとする性質があります。ばねの広い意味での定義は、この弾性という性質の利用を主な目的とするものの総称といえます。
ばねが持っている、あるいはばねに求められる特性としては、大きく分けて
- 復元力を持つ
- エネルギーの蓄積と放出ができる
- 固有の振動数を持つ
という3つの特性があり、「ばねの3大特性」とも言われます。ばね以外のものにもこれら3つの特性は備わっていますが、これらの特性を特に上手く利用しているのがばねと言えるでしょう。ここではこの3つの視点から、ばねの基本的特性について見ていきましょう。
復元力
ばねは、力を加えられると変形し、力を取り除くと元の形に戻るという性質を持ちます。このように力が加わって変形しても元に戻ろうとする性質を持つことが、ばねの基本的性質であり必要条件です。元の形に戻ろうとする力は「復元力」と呼ばれます。
力が材料の限界を超えて加わると、力を除いても変形（正確にはひずみ）が残ってしまいます。これを「塑性」といい、塑性によって元に戻らない変形のことを「塑性変形」と呼ばれます。ばねは元に戻ることが前提であるあるため、塑性変形が起こることは好ましくなく、一般にばねに加わる力が弾性限度を超えない範囲で使用されます。
エネルギーの蓄積と放出
ばねが変形するとき、弾性エネルギーという形でエネルギーがばねに蓄えられます。そのエネルギーを放出させれば、ばねに機械的な仕事をさせることができます。この「エネルギーの蓄積と放出」という働きが、ばねの主要な特性の2つ目です。
例えば、弓によって矢を放つのは、このエネルギーの蓄積と放出を利用しています。ぜんまい時計では、ぜんまいに蓄えられたエネルギーを放出させながら時計が動いています。弓と比較すると、ぜんまい時計の場合は弾性エネルギーを徐々に放出させながら利用しています。自動車の懸架装置用ばねの場合は、路面から伝わる衝撃をばねが受け、衝撃力をばねの弾性エネルギーに変化させて緩衝しているのです。
固有の振動数
先端に重りを付けたばねを天井に吊るし、重りを下に引っ張り、力を放すと、重りは一定の振動数で上下に振動します。この一定の振動数は「固有振動数」と呼ばれます。このような固有振動数を持つことが、ばねの主要な特性の3つ目です。一般的にも、ばねが硬いほど固有振動数が大きくなり、ばねが柔らかいほど固有振動数が小さくなります。
ばねの固有振動を持つ性質を利用することで、振動の伝達を緩和することもできます。固有振動数が外からの振動数よりも十分小さいとき、振動がばねが支える質点に伝わりにくくなります。これを利用して、ばねが支える物体の振動を和らげることができます。鉄道車両では、金属ばねに比べてばね定数を小さくすることができる空気ばねを採用し、乗り心地を良くしています。