バネの弾性力について

宇宙の物理現象の全ては、４つの相互作用、重力・電磁力・強弱の相互作用で説明できるとされていると思います。それで、身の回りにある現象の内、バネの弾性力、いわゆるフックの法則がどのように説明できるかを疑問に思い、考えてみました。
まず、重力は４つの中で桁違いに弱いし、強弱の相互作用は原子核の結合、崩壊の作用だから適しないでしょう。すると、電磁力ということになります。では、電磁力でバネの弾性力がどう説明されるか？
恐らく、固体物理とか物性物理を学べばそのメカニズムが分かるようになるのでしょうが、ここでは推測というか憶測を逞しくさせてもらうことにします。
まず、バネを自然長より縮めると、金属（バネは大概金属製でしょうから）原子間の距離が縮み、核外電子、恐らく最外殻電子でしょうが、同士の反発力が大きくなって自然長に戻ろうとする。
反対に伸ばすと、原子間の電気的ポテンシャルエネルギーが減少するか、または増大する（どちらかか分からないので憶測となりますが。または、どちらでもない、そんなことは起こっていないかもしれませんが）。ポテンシャルエネルギーが減少するなら、バネの金属の温度が低下し、エントロピーも減少する。自然現象はエントロピー増大に向かう確率が高いため、バネは自然長に戻ろうとすることになります。逆にポテンシャルエネルギーが増大するなら、物理現象はエネルギーが低い方が安定するため、縮んで元に戻ろうとすると考えました。
どうでしょうか？定性的というのさえ、おこがましい説明ですが、当たらずとも遠からずぐらいにはなっているでしょうか？

No.3 回答者： d9win 回答日時： 2023/02/23 12:47

バネの振る舞いは金属原子間の電子状態(すなわち金属結合)の変化に帰せられると思います。

金属結合は化学結合の一種と見なすことが出来るようです。化学結合には、その他に(1)共有結合, (2)イオン結合, (3)水素結合, (4)ファンデルワース結合があるとのことです。これらのうち(2)は静電気力そのものですが、(3), (4)も電磁気力として説明する文献が多いようです。(例えば< https://ja.wikipedia.org/wiki/分子間力 >)
しかしながら、(2)のイオン結合よりも遥かに強い(1)の共有結合を電磁気力では説明できないと、私は考えます。さらに、イオン結合と同程度と見なされている金属結合も静電気力を原因とするのは、正電荷を有する金属イオンの周りに自由に動き得る複数の電子が存在し得るという状況では苦しいです。すると、化学結合は電磁気力では説明し切れないことになります。
結局、”重力・電磁力・強弱の4つの力”の他に、共有結合をもたらすような力があるのではないでしょうか。弾性力は、その未知の力の現れのように思えます。

No.2 回答者： tknakamuri 回答日時： 2023/02/22 10:08

あまりよく知らないんですが、

金属の場合、電子ガスの中に金属原子がたくさん浮かんでいる
というモデルを、パウリの排他律を加味しつつ電磁エネルギーを
計算すると、エネルギーが極小になる金属原子密度というものが
でてくるらしいです。

もう40年も昔に学んだ話なんで、あんまり覚えてない。
現役の方どうぞ(^^;

この回答へのお礼

想像するに、原子なり電子がある密度のとき、ポテンシャルエネルギーが最も小さくなるか、エントロピーが最大になるということで、バネはその状態に戻ろうとするというところでしょうか。これが、腕や脚の筋肉の拡張、収縮の原動力にも当てはまるとすると、面白いですね。

お礼日時：2023/02/23 17:48

No.1 回答者： Hypnomatic 回答日時： 2023/02/21 21:57

バネの弾性力が電磁力で説明される場合、バネの分子や原子が帯電していると考えることができます。

バネを引っ張ると、バネの分子や原子が引き離され、電荷が分離します。このとき、電磁力によってバネの分子や原子同士が引き合われ、バネが元の形に戻ろうとするのです。このように、バネの弾性力は、電磁力によって説明されることができます。

バネが自然長よりも伸びた状態では、バネにかかる力が外向きに働き、金属原子の間の距離が大きくなることにより、原子核と電子の間の距離も大きくなります。この結果、原子核と最外殻電子の間には、より大きな反発力が働き、バネは自然長に戻ろうとします。一方、バネが自然長よりも縮んだ状態では、バネにかかる力が内向きに働き、金属原子の間の距離が縮まり、原子核と最外殻電子の間には、より大きな引力が働きます。この結果、バネは自然長に戻ろうとします。