科目
機械力学・振動工学
章
振動の基礎
図番
07 / 11
内容
シミュレータ・例題3問
機械力学・振動工学 7 / 11

同じ力でも、リズムが合うと揺れは10倍強制振動と共振

揺する振動数が固有振動数に一致すると、ゆれは最大になり、減衰比 ζ = 0.05 なら静かに押したときの10倍(山の高さは 1/(2ζ))。固有振動数の√2倍より速く揺すると、かえって小さく揺れる。

真横から見たブランコ。座板が後ろのいちばん高い所まで振れてきて、そのすぐ後ろで、手が押そうと待っている

まず触ってみる

数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。

このページの内容
  1. ブランコは、押すタイミングで大きくなる
  2. 綱引きに、外から押すリズムが加わる
  3. 振幅倍率の式を、3つのかたまりで読む
  4. 山の高さを決めるもの
  5. √2倍より速く揺すると、かえって小さい
  6. 力とゆれの、山のずれ(位相の遅れ)
  7. どの数字がいちばん効く?
  8. 動かしてみよう
  9. よくある勘違い
  10. この公式が使える条件
  11. 例題

この単元のポイント

  1. 揺する振動数が固有振動数に一致すると、ゆれ(振幅)が最大になる。これが共振。
  2. 減衰比 ζ = 0.05 なら、共振のゆれは、同じ力で静かに押したときの10倍。山の高さは 1/(2ζ)。
  3. 固有振動数の√2倍より速く揺すると、静かに押したときより小さく揺れる。

ブランコは、押すタイミングで大きくなる

ブランコの背中を押すとき、力いっぱい押す必要はありません。ブランコが前へ動き出したところで、軽く押す。これを1往復ごとにくり返すと、ゆれはどんどん大きくなります。

真横から見たブランコ。いちばん下を通りすぎて前へ進む座板を、後ろから手で軽く押している。押す向きと進む向きは同じ
図 7-01押す力は小さくても、ブランコのリズムに合わせると、ゆれは大きくなります。

押すリズムがずれると、そうはなりません。ブランコが戻ってくるところで押すと、かえってゆれを止めてしまいます。大事なのは、力の大きさよりタイミングです。

同じことが、機械でも起きます。洗濯機の脱水では、回り始めてしばらくすると、本体が一度ガタガタと大きく揺れることがあります。もっと速く回るようになると、また静かになります。

脱水中の洗濯機。本体がゆれていることを、薄い残像と青い円弧の矢印で表している
図 7-02回る速さが、ある値を通り過ぎるときだけ、大きく揺れます。

なぜ、ある速さのときだけ揺れるのでしょうか。なぜ、もっと速くすると静かになるのでしょうか。

この単元では、1自由度の自由振動(ばねと質量) と同じ、質量 2 kg のおもりと、ばね定数 800 N/m のばねで考えます。外から揺すらないときの振動数(固有振動数)は 3.18 Hz でした。今回は、ゆれを弱めるダンパも付けます。強さは、減衰振動 の減衰比で ζ = 0.05 です。

このおもりを、振幅 4 N の力で、上下に揺すり続けます。4 N の力でゆっくり押せば、ばねは 4/800 m4/800\ \mathrm{m}、つまり 5 mm 縮むだけです。

では、固有振動数と同じ 3.18 Hz のリズムで揺すると、おもりは何 mm 揺れるでしょうか。

予想してから読む静かに押すと 5 mm。固有振動数と同じリズムで揺すると、振幅は?(ζ = 0.05)

綱引きに、外から押すリズムが加わる

1自由度の自由振動(ばねと質量) で、ゆれは2つの綱引きだと見ました。ばねは「戻そうとする」。おもりは「そのまま動き続けようとする」。

今回は、そこに外からの力が加わります。力は、決まったリズムで上下に向きを変えます。

F(t)=F0sin⁡ωtF(t) = \skrFZero \sin \skrOmega t

F0\skrFZero は力の振幅、ω\skrOmega は揺する角振動数です。1秒に揺する回数(振動数)なら f=ω/2π\skrF = \skrOmega/2\pi [Hz] です。

揺すり始めは、おもり自身のゆれ(固有振動数のゆれ)も混ざります。でも、それはダンパで消えていきます。この単元のおもりでは、5秒たつと1%以下(0.7%)になります。残るのは、揺する力と同じ振動数のゆれだけです。このゆれを定常のゆれといい、この単元では、定常のゆれだけを考えます。

x(t)=Xsin⁡(ωt−ϕ)x(t) = \skrX \sin(\skrOmega t - \sksPhi)

X\skrX は振幅、ϕ\sksPhi は、力の山からゆれの山までの遅れ(位相の遅れ)です。

揺する速さで、綱引きの勝ち方が変わります。

  • ゆっくり揺する。おもりは、ほとんど加速しません。ばねだけが相手です。おもりは力にそのままついてきて、静かに押したときと同じ 5 mm 揺れます。
  • 固有振動数で揺する。ばねの「戻そうとする」と、おもりの「動き続けようとする」が、ちょうど打ち消し合います。力を止めるのは、ダンパだけです。
  • 速く揺する。おもりの「動き続けようとする」が勝ちます。おもりは力についていけず、ほとんど動きません。
左:ばねでつるしたおもりを、手がゆっくり上下させると、おもりは手と同じ幅で動く。右:手を速く大きく上下させても、おもりはほとんど動かない。動く幅を、手の横とおもりの横の両矢印で示している
図 7-03左はゆっくり、右は速く揺すったとき。速く揺すると、おもりはその場に残ります。

振幅倍率の式を、3つのかたまりで読む

定常のゆれの振幅は、静かに押したときの変位 Xst=F0/k\skrXst = \skrFZero/\skrk の何倍かで表します。この倍率を振幅倍率といいます。

XXst=1(1−r2)2⏟ばねとおもりの差+(2ζ r)2⏟ダンパ\dfrac{\skrX}{\skrXst} = \dfrac{1}{\sqrt{\underbrace{(1-r^2)^2}_{\text{ばねとおもりの差}} + \underbrace{(2\skrZeta\,r)^2}_{\text{ダンパ}}}}

rr は、揺する振動数が固有振動数の何倍かを表す振動数比です。

r=ffn=ωωnr = \dfrac{\skrF}{\skrFn} = \dfrac{\skrOmega}{\skrOmegaN}
  1. ばねとおもりの差 1−r21 - r^2 1 は、ばねの「戻そうとする」強さです。r2r^2 は、おもりの「動き続けようとする」強さです。揺する速さの2乗で強くなります。2つは逆向きに働くので、引き算になります。
  2. ダンパ 2ζ r2\skrZeta\,r ダンパの力は、おもりの速さに比例します。速く揺するほど、おもりの速さも増えるので、rr に比例します。
  3. 2乗して足し、√ をとる ダンパの力の山は、ばねの力の山から 1/4 周期ずれています(速さがいちばん大きいのは、真ん中を通るとき)。ずれた2つの力は、直角に組んだ2本の矢印のように足し合わされます。だから、三平方の定理と同じ「2乗して足して √」になります。

導き方は、ページの最後に畳んであります。

山の高さを決めるもの

r=1r = 1(固有振動数ぴったり)では、1つ目のかたまりが 0 になります。ばねとおもりが打ち消し合い、ダンパだけが残ります。

XXst=10+(2ζ×1)2=12ζ\dfrac{\skrX}{\skrXst} = \dfrac{1}{\sqrt{0 + (2\skrZeta \times 1)^2}} = \dfrac{1}{2\skrZeta}

共振の山の高さは、1/(2ζ) で決まります。ζ = 0.05 なら、1/(2×0.05)=101/(2 \times 0.05) = 10 倍です。静かに押したときの 5 mm が、50 mm になります。

エネルギーで見ると、こうなります。力は、1往復ごとに、おもりにエネルギーを入れます。ダンパは、1往復ごとに、エネルギーを熱にして奪います。ダンパが奪う分は、振幅の2乗に比例して増えます。ゆれが大きくなっていき、入れる分と奪う分が等しくなったところで、振幅は止まります。ダンパが弱いほど、その釣り合いは大きな振幅まで来ないと起きません。

減衰比 ζ\skrZeta ぴったりで揺すったときの倍率 1/(2ζ)1/(2\skrZeta) 振幅(静かに押すと 5 mm)
0.05 10.0倍 50 mm
0.1 5.00倍 25 mm
0.2 2.50倍 12.5 mm
0.5 1.00倍 5 mm

ζ を2倍にすると、山の高さは半分です。

山のいちばん高いところは、正確には r=1−2ζ2r = \sqrt{1 - 2\skrZeta^2} で、r=1r = 1 より少しだけ左にあります。ζ = 0.05 なら、r=0.9975r = 0.9975 で 10.01倍です。ζ が小さいときは、「固有振動数で揺すると最大、高さは 1/(2ζ)」と見て差し支えありません。

ブランコに戻ります。共振のとき、位相の遅れは 90° です。力がいちばん強いのは、おもりが真ん中を、いちばん速く通るときです。そのとき、力はおもりが動く向きを向いています。ブランコを、前へ動いている間に前へ押すのと同じです。だから、押すたびにゆれが大きくなります。

√2倍より速く揺すると、かえって小さい

r=2r = \sqrt{2} では、1−r2=1−2=−11 - r^2 = 1 - 2 = -1 です。1つ目のかたまりは (−1)2=1(-1)^2 = 1 で、ゆっくり押したときと同じ大きさに戻ります。ダンパのかたまりが少し足されるので、振幅倍率は 1 より小さくなります。

固有振動数の √2倍(約1.41倍)より速く揺すると、静かに押したときより小さく揺れます。この単元のおもりでは、3.18×2=4.503.18 \times \sqrt{2} = 4.50 Hz です。

さらに速く、2倍の 6.37 Hz で揺すると、振幅倍率は 0.33倍で、振幅は 1.66 mm です。速いところでは、振幅はほぼ 1/r21/r^2 で小さくなります。

洗濯機に戻ります。脱水の途中でガタガタ揺れるのは、回る速さが、本体の固有振動数を通り過ぎるときです。それより十分速く回れば、本体は「動き続けようとする」側が勝ち、静かになります。(洗濯物のかたよりが出す力は、回る速さとともに大きくなります。くわしくは 回転体の不つり合い で見ます。)

力とゆれの、山のずれ(位相の遅れ)

揺する速さで、力の山とゆれの山の、ずれ方も変わります。

ϕ=tan⁡−12ζ r1−r2\sksPhi = \tan^{-1}\dfrac{2\skrZeta\,r}{1 - r^2}
揺する速さ(ζ = 0.05) 位相の遅れ ϕ\sksPhi 力とゆれ
固有振動数の 0.5倍 3.8° ほぼ同時に山が来る(同じ向きに動く)
固有振動数と同じ 90° 力の山は、おもりが真ん中を通るとき
固有振動数の 2倍 176° ほぼ逆向き(力が上のとき、おもりは下)

シミュレータの記録紙では、薄い朱の線が力、青い線がおもりの変位です。山のずれを見比べてください。

どの数字がいちばん効く?

固有振動数ぴったり(3.18 Hz)で揺すっているとき、それぞれの数字を1割(10%)だけ変えると、振幅はどう変わるかを並べます。揺する振動数は、ばねやおもりを変えても 3.18 Hz のままとします。

変えるもの 振幅の変化 理由
揺する振動数 f\skrF を10%上げる −58% 山から外れる
ばね定数 k\skrk を10%大きく −31% 固有振動数が上がり、山から外れる
おもりの質量 m\skrm を10%大きく −31% 固有振動数が下がり、山から外れる
減衰比 ζ\skrZeta を10%大きく −9% 山の高さ 1/(2ζ)1/(2\skrZeta) が下がる
力の振幅 F0\skrFZero を10%大きく +10% 1乗で効く

共振しているときは、山から外すのがいちばん効きます。ダンパを1割強めるより、ばねを1割硬くするほうが、3倍以上効きます。

つまり、ものを作るときは

機械の固有振動数を、使うときの揺れの振動数から離します。ばね(取り付け部の硬さ)や質量を変えれば、固有振動数は動きます。モータを載せる台なら、モータの回転の振動数と、台の固有振動数が重ならないようにします。

回り始めや止まるときのように、どうしても共振を通る機械は、そこをすばやく通り過ぎるか、ダンパで山を低くします。山の高さは 1/(2ζ) なので、ダンパは共振のときにだけ、よく効きます。

壁に付けた棚板の上で、小さなモータが回っている。棚板の先が上下にゆれていることを、薄い残像と青い円弧の矢印で表している
図 7-04棚板はばね、モータは揺する力。回転の振動数が棚の固有振動数に近いと、大きく揺れます(例題1)。

動かしてみよう

揺する振動数 f\skrF を少しずつ上げて、ゆれの大きさがどう変わるかを見てください。3.18 Hz に近づくと、急に大きくなります。

盤の下のグラフは、共振曲線です。横軸は振動数比 rr、縦軸は振幅倍率です。太い線がいまの ζ、薄い線は ζ = 0.05・0.1・0.2・0.5 の曲線で、点がいまの揺すり方です。縦軸は、1 から 10 までと、0.1 から 1 までが、同じ幅になる目盛り(対数の目盛り)です。小さな倍率も、大きな山も、1枚に収まります。

揺すり続ける強制振動なので、数字を変えても、時計は 0 に戻りません。「↺ はじめから」を押すと、止まった状態から揺すり始めます。f を 3.18 Hz にして押すと、ゆれが少しずつ育って約 50 mm で落ち着くのが見えます。時間がたてば、揺すり始めのゆれは消えて、定常のゆれだけになります。「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、前の波形を薄く重ねて比べられます。

シミュレータ数字を変えると、動きと答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 揺する振動数 f を、固有振動数とほぼ同じ 3.18 Hz にする(ζ は 0.05 のまま)(まだ)
  2. f = 3.18 Hz のまま、減衰比 ζ を2倍の 0.1 にする(まだ)
  3. ζ を 0.05 に戻し、f を固有振動数の約2倍の 6.37 Hz にする(まだ)
kg
N/m
N
Hz
mkcFx← いま 右ほど前の動き単元強制振動尺度変位 ×1.5位相φ = 3.47°
t = 0.00 s
00.511.52-50-2502550時間 t [s]変位 x [mm]静かに押したとき
012340.050.10.20.512510振動数比 ω/ωn振幅倍率共振√21倍ζ = 0.051.28
振幅倍率は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

XXst=1(1−r2)2+(2ζ r)2\dfrac{\htmlClass{q-displacement}{X}}{\htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}}} = \dfrac{1}{\sqrt{(1-r^2)^2 + (2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r)^2}}=1(1−0.4712)2+(2×0.05×0.471)2= \dfrac{1}{\sqrt{(1-0.471^2)^2 + (2 \times 0.05 \times 0.471)^2}}=1.28= 1.28
固有振動数
fn=3.18 Hz\htmlClass{q-flow}{f_n} = 3.18\ \mathrm{Hz}
振動数比
ω/ωn=0.471 \htmlClass{q-flow}{\omega/\omega_n} = 0.471\
静かに押したときの変位
Xst=5 mm\htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}} = 5\ \mathrm{mm}
振幅倍率
X/Xst=1.28 \htmlClass{q-displacement}{X/X_{\mathrm{st}}} = 1.28\
振幅
X=6.42 mm\htmlClass{q-displacement}{X} = 6.42\ \mathrm{mm}
位相の遅れ
ϕ=3.47∘\htmlClass{q-flow}{\phi} = 3.47^\circ
途中の計算(導出)を見る
  1. 固有振動数(外から揺すらないときの振動数)

    fn=12πkm=12π8002=3.18 Hz\htmlClass{q-flow}{f_n} = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{\htmlClass{q-material}{k}}{\htmlClass{q-material}{m}}} = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{800}{2}} = 3.18\ \mathrm{Hz}
  2. 振動数比(揺する速さが、固有振動数の何倍か)

    r=ffn=1.53.18=0.471r = \dfrac{\htmlClass{q-flow}{f}}{\htmlClass{q-flow}{f_n}} = \dfrac{1.5}{3.18} = 0.471
  3. 静かに押したときの変位(同じ力でゆっくり押す)

    Xst=F0k=4800=5 mm\htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{F_0}}{\htmlClass{q-material}{k}} = \dfrac{4}{800} = 5\ \mathrm{mm}
  4. 振幅倍率

    XXst=1(1−r2)2+(2ζ r)2=1(1−0.4712)2+(2×0.05×0.471)2=1.28\dfrac{\htmlClass{q-displacement}{X}}{\htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}}} = \dfrac{1}{\sqrt{(1-r^2)^2 + (2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r)^2}} = \dfrac{1}{\sqrt{(1-0.471^2)^2 + (2 \times 0.05 \times 0.471)^2}} = 1.28
  5. 振幅

    X=XXst×Xst=1.28×5=6.42 mm\htmlClass{q-displacement}{X} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{X}}{\htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}}} \times \htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}} = 1.28 \times 5 = 6.42\ \mathrm{mm}
  6. 位相の遅れ(力の山から、ゆれの山までの遅れ。分母が負なら 90° をこえる)

    ϕ=tan⁡−12ζ r1−r2=tan⁡−12×0.05×0.4711−0.4712=3.47∘\htmlClass{q-flow}{\phi} = \tan^{-1}\dfrac{2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r}{1-r^2} = \tan^{-1}\dfrac{2 \times 0.05 \times 0.471}{1-0.471^2} = 3.47^\circ

よくある勘違い

「共振すると、ゆれはどこまでも大きくなる」

ダンパ(減衰)がまったく無ければ、式の上では、振幅倍率は無限大です。でも、本物の機械には、必ず少し減衰があります。ゆれが大きくなるほど、ダンパが奪うエネルギーが増えるので、振幅は 1/(2ζ) 倍で止まります。

止まるといっても、ζ = 0.01 なら50倍です。盤で ζ を 0.01 にして、揺する速さを 3.18 Hz に合わせると、振幅は約 250 mm になります。減衰の小さい物ほど、共振は危険です。

「速く揺するほど、大きく揺れる」

山があるのは、固有振動数のところだけです。それより速く揺すると、振幅は小さくなり、√2倍をこえると、静かに押したときより小さくなります。速く揺すると、おもりの「動き続けようとする」が勝ち、力についていけないからです。

「固有振動数」と「揺する振動数」

似た言葉なので、分けておきます。

言葉 意味 決めるもの
固有振動数 fn\skrFn 外から揺すらないとき、自分でゆれる振動数 物のばね定数と質量(k/m/2π\sqrt{\skrk/\skrm}/2\pi)
揺する振動数 f\skrF 外から加える力が、1秒に向きを変える回数 モータの回転数など、外の都合

共振は、この2つが一致したときに起きます。

この公式が使える条件

  • ゆれが小さく、ばねの力が伸びに比例する範囲
  • ダンパの力が、おもりの速さに比例する(粘性減衰)
  • 揺する力の振幅 F0\skrFZero が、振動数によらず一定(回転の不つり合いのように、速く回すほど力が大きくなる場合は、回転体の不つり合い で扱います)
  • 揺すり始めのゆれが消えたあとの、定常のゆれだけを見る(シミュレータは、揺すり始めのゆれも描くが、すぐに定常のゆれだけになる)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

運動方程式:おもりにかかる力は、ばねの力 −k x-\skrk\,x、ダンパの力 −c x˙-\skrc\,\dot{x}、外からの力 F0sin⁡ωt\skrFZero\sin\skrOmega t です。

m x¨+c x˙+k x=F0sin⁡ωt\skrm\,\ddot{x} + \skrc\,\dot{x} + \skrk\,x = \skrFZero \sin \skrOmega t

定常のゆれを入れる:x=Xsin⁡(ωt−ϕ)x = \skrX\sin(\skrOmega t - \sksPhi) とおきます。θ=ωt−ϕ\theta = \skrOmega t - \sksPhi と書くと、

x˙=ωXcos⁡θ,x¨=−ω2Xsin⁡θ\dot{x} = \skrOmega\skrX\cos\theta,\qquad \ddot{x} = -\skrOmega^2\skrX\sin\theta

左辺に入れると、sin⁡θ\sin\theta の項と cos⁡θ\cos\theta の項に分かれます。

(k−mω2)Xsin⁡θ+c ωXcos⁡θ=F0sin⁡(θ+ϕ)(\skrk - \skrm\skrOmega^2)\skrX\sin\theta + \skrc\,\skrOmega\skrX\cos\theta = \skrFZero\sin(\theta + \sksPhi)

右辺を sin⁡(θ+ϕ)=sin⁡θcos⁡ϕ+cos⁡θsin⁡ϕ\sin(\theta + \sksPhi) = \sin\theta\cos\sksPhi + \cos\theta\sin\sksPhi と開いて、sin⁡θ\sin\theta どうし、cos⁡θ\cos\theta どうしを等しくおきます。

(k−mω2)X=F0cos⁡ϕ,c ωX=F0sin⁡ϕ(\skrk - \skrm\skrOmega^2)\skrX = \skrFZero\cos\sksPhi,\qquad \skrc\,\skrOmega\skrX = \skrFZero\sin\sksPhi

2つを2乗して足すと、cos⁡2+sin⁡2=1\cos^2 + \sin^2 = 1 で ϕ\sksPhi が消えます。割ると tan⁡ϕ\tan\sksPhi が出ます。

X=F0(k−mω2)2+(c ω)2,tan⁡ϕ=c ωk−mω2\skrX = \dfrac{\skrFZero}{\sqrt{(\skrk - \skrm\skrOmega^2)^2 + (\skrc\,\skrOmega)^2}},\qquad \tan\sksPhi = \dfrac{\skrc\,\skrOmega}{\skrk - \skrm\skrOmega^2}

無次元にする:分母と分子を k\skrk で割ります。mω2/k=ω2/ωn2=r2\skrm\skrOmega^2/\skrk = \skrOmega^2/\skrOmegaN^2 = r^2。減衰比の定義 c=2ζmk\skrc = 2\skrZeta\sqrt{\skrm\skrk} から、c ω/k=2ζ ωm/k=2ζ r\skrc\,\skrOmega/\skrk = 2\skrZeta\,\skrOmega\sqrt{\skrm/\skrk} = 2\skrZeta\,r。F0/k=Xst\skrFZero/\skrk = \skrXst なので、

XXst=1(1−r2)2+(2ζr)2,tan⁡ϕ=2ζr1−r2\dfrac{\skrX}{\skrXst} = \dfrac{1}{\sqrt{(1-r^2)^2 + (2\skrZeta r)^2}},\qquad \tan\sksPhi = \dfrac{2\skrZeta r}{1-r^2}

エネルギーの釣り合い:1往復で力がする仕事は πF0Xsin⁡ϕ\pi\skrFZero\skrX\sin\sksPhi、ダンパが奪う仕事は πc ωX2\pi\skrc\,\skrOmega\skrX^2 です(どちらも cos⁡2\cos^2 を1周期で平均すると 1/2 になることから)。上の2つ目の式 c ωX=F0sin⁡ϕ\skrc\,\skrOmega\skrX = \skrFZero\sin\sksPhi は、この2つが等しいことと同じです。共振 r=1r = 1 では ϕ=90∘\sksPhi = 90^\circ で、X=F0/(c ωn)\skrX = \skrFZero/(\skrc\,\skrOmegaN)。c ωn=2ζk\skrc\,\skrOmegaN = 2\skrZeta\skrk なので X/Xst=1/(2ζ)\skrX/\skrXst = 1/(2\skrZeta) です。

山の位置:分母の中身 (1−r2)2+4ζ2r2(1-r^2)^2 + 4\skrZeta^2 r^2 を r2r^2 で微分して 0 とおくと、−2(1−r2)+4ζ2=0-2(1-r^2) + 4\skrZeta^2 = 0、つまり r2=1−2ζ2r^2 = 1 - 2\skrZeta^2。このときの高さは 1/(2ζ1−ζ2)1/(2\skrZeta\sqrt{1-\skrZeta^2}) です。

1倍に戻る点:振幅倍率が 1 になるのは、(1−r2)2+4ζ2r2=1(1-r^2)^2 + 4\skrZeta^2r^2 = 1、つまり r2=2−4ζ2r^2 = 2 - 4\skrZeta^2 のときです。ζ\skrZeta がどんな値でも 2\sqrt{2} 以下なので、√2倍より速ければ、必ず 1 倍より小さくなります。

例題

例題1 棚板の上のモータ

壁に付けた棚板の上に、質量 3 kg の小さなモータが載っています。棚板は、上下のばね定数 12,000 N/m のばねとして働きます。減衰比は 0.04 とします。

モータは回っている間、上下に振幅 6 N の力を出し、その振動数は 10 Hz です。

(1) 固有振動数 (2) 振動数比 (3) 振幅倍率と振幅 を求めてください。

ヒント 1 / 2

固有振動数は fn=12πk/mf_n = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{k/m}、静かに押したときの変位は Xst=F0/kX_{\mathrm{st}} = F_0/k です。

ヒント 2 / 2

12000/3=4000=63.2\sqrt{12000/3} = \sqrt{4000} = 63.2 rad/s です。これを 2π2\pi で割ると fnf_n です。

答えと解き方を見る
(1) fn=10.1 Hz(1)\ f_n = 10.1\ \mathrm{Hz}
(2) r=0.993(2)\ r = 0.993
(3) X/Xst=12.4,X=6.21 mm(3)\ X/X_{\mathrm{st}} = 12.4,\quad X = 6.21\ \mathrm{mm}
  1. 固有振動数(外から揺すらないときの振動数)

    fn=12πkm=12π12,0003=10.1 Hz\htmlClass{q-flow}{f_n} = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{\htmlClass{q-material}{k}}{\htmlClass{q-material}{m}}} = \dfrac{1}{2\pi}\sqrt{\dfrac{12{,}000}{3}} = 10.1\ \mathrm{Hz}
  2. 振動数比(揺する速さが、固有振動数の何倍か)

    r=ffn=1010.1=0.993r = \dfrac{\htmlClass{q-flow}{f}}{\htmlClass{q-flow}{f_n}} = \dfrac{10}{10.1} = 0.993
  3. 静かに押したときの変位(同じ力でゆっくり押す)

    Xst=F0k=612,000=0.5 mm\htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{F_0}}{\htmlClass{q-material}{k}} = \dfrac{6}{12{,}000} = 0.5\ \mathrm{mm}
  4. 振幅倍率

    XXst=1(1−r2)2+(2ζ r)2=1(1−0.9932)2+(2×0.04×0.993)2=12.4\dfrac{\htmlClass{q-displacement}{X}}{\htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}}} = \dfrac{1}{\sqrt{(1-r^2)^2 + (2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r)^2}} = \dfrac{1}{\sqrt{(1-0.993^2)^2 + (2 \times 0.04 \times 0.993)^2}} = 12.4
  5. 振幅

    X=XXst×Xst=12.4×0.5=6.21 mm\htmlClass{q-displacement}{X} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{X}}{\htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}}} \times \htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}} = 12.4 \times 0.5 = 6.21\ \mathrm{mm}

揺する振動数が、固有振動数とほぼ同じです。静かに押したときの 0.5 mm が、約12倍の 6.2 mm にふくらみます。

棚板を短くして硬くする、モータの下にゴムを入れる、などで固有振動数を 10 Hz から離します。

例題2 減衰で、共振の山はどれだけ下がる?

質量 5 kg・ばね定数 20,000 N/m の台を、固有振動数ぴったりの振動数で、振幅 10 N の力で揺すります。

減衰比が 0.02 のときと 0.1 のときで、振幅はそれぞれ何 mm ですか。振幅は何分の1になりますか。

ヒント 1 / 2

r=1r = 1 を振幅倍率の式に入れると、(1−r2)2(1-r^2)^2 が 0 になり、1/(2ζ)1/(2\zeta) が残ります。

ヒント 2 / 2

静かに押したときの変位は Xst=10/20000 m=0.5 mmX_{\mathrm{st}} = 10/20000\ \mathrm{m} = 0.5\ \mathrm{mm} です。

答えと解き方を見る
ζ=0.02: X=25×0.5=12.5 mm\zeta = 0.02:\ X = 25 \times 0.5 = 12.5\ \mathrm{mm}
ζ=0.1: X=5×0.5=2.5 mm\zeta = 0.1:\ X = 5 \times 0.5 = 2.5\ \mathrm{mm}
2.512.5=15\dfrac{2.5}{12.5} = \dfrac{1}{5}

固有振動数ぴったりで揺すると、振幅倍率は 1/(2ζ)1/(2\zeta) です。ζ を5倍にすると、山の高さは5分の1になります。

共振の山を下げるには、減衰がよく効きます。共振から離れたところ(たとえば r = 2)では、ζ を2倍にしても、振幅は1%も変わりません。

例題3 速く揺すると、ゆれは小さくなる

例題1と同じ台(質量 3 kg・ばね定数 12,000 N/m・減衰比 0.04)を、加振機(決まった振動数で揺する装置)で揺すります。

力の振幅は同じ 6 N のまま、振動数を 20 Hz に上げると、振幅は何 mm ですか。また、力とゆれの向きの関係はどうなりますか。

ヒント 1 / 2

例題1の固有振動数 10.07 Hz を使い、r=20/10.07r = 20/10.07 を振幅倍率の式に入れます。

ヒント 2 / 2

r2≈3.95r^2 \approx 3.95 なので、1−r21 - r^2 は負になります。2乗するので符号は気にしなくてかまいません。

答えと解き方を見る
r=1.99,X/Xst=0.339,X=0.169 mmr = 1.99,\quad X/X_{\mathrm{st}} = 0.339,\quad X = 0.169\ \mathrm{mm}
ϕ=177∘\phi = 177^\circ
  1. 振動数比(揺する速さが、固有振動数の何倍か)

    r=ffn=2010.1=1.99r = \dfrac{\htmlClass{q-flow}{f}}{\htmlClass{q-flow}{f_n}} = \dfrac{20}{10.1} = 1.99
  2. 静かに押したときの変位(同じ力でゆっくり押す)

    Xst=F0k=612,000=0.5 mm\htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{F_0}}{\htmlClass{q-material}{k}} = \dfrac{6}{12{,}000} = 0.5\ \mathrm{mm}
  3. 振幅倍率

    XXst=1(1−r2)2+(2ζ r)2=1(1−1.992)2+(2×0.04×1.99)2=0.339\dfrac{\htmlClass{q-displacement}{X}}{\htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}}} = \dfrac{1}{\sqrt{(1-r^2)^2 + (2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r)^2}} = \dfrac{1}{\sqrt{(1-1.99^2)^2 + (2 \times 0.04 \times 1.99)^2}} = 0.339
  4. 振幅

    X=XXst×Xst=0.339×0.5=0.169 mm\htmlClass{q-displacement}{X} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{X}}{\htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}}} \times \htmlClass{q-displacement}{X_{\mathrm{st}}} = 0.339 \times 0.5 = 0.169\ \mathrm{mm}
  5. 位相の遅れ(力の山から、ゆれの山までの遅れ。分母が負なら 90° をこえる)

    ϕ=tan⁡−12ζ r1−r2=tan⁡−12×0.04×1.991−1.992=177∘\htmlClass{q-flow}{\phi} = \tan^{-1}\dfrac{2\htmlClass{q-material}{\zeta}\,r}{1-r^2} = \tan^{-1}\dfrac{2 \times 0.04 \times 1.99}{1-1.99^2} = 177^\circ

振動数比が √2(約1.41)をこえているので、静かに押したときの 0.5 mm より小さくなります。

位相の遅れが 180° に近いので、力が上を向いているとき、台は下にいます。台は、力についていけず、逆向きに揺れています。