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共振曲線と固有振動数(減衰が小さいほど山は鋭くなる)

ブランコを大きく振らせたいとき、強く押すより「合わせて」押すほうが効く。合わせるというのは、押す周期をブランコ自身の周期にそろえること[1]。

小さな力でも、周期がそろっていれば振れはどんどん大きくなる。ずれていれば、いくら強く押しても伸びません。

この、外から周期的に揺らす動きを強制振動といいます。振幅がとくに大きくなる場合が共振。

固有振動数

物体を一度揺らして手を離すと、決まった速さで振れます。この振動数を固有振動数といいます[1]。

ばねにつるしたおもりなら、ばね定数と質量で決まる。

振り子なら糸の長さと重力加速度で決まる。おもりの質量は入ってこない。

例:ブランコの周期

くさりの長さを とします。

秒に 1 回の割で押せばよい。座る人が重くても軽くても、この周期は変わらない。

例:ばね振り子

ばね定数 、質量 の場合を出します。

こちらは質量が効きます。おもりを 4 倍にすれば、固有振動数は半分になる。

例:振り子の長さを 2 倍にする

の振り子の周期は 秒。長さを にします。

倍ではなく 倍になりました。根号の中に長さがいるため。

倍の長さにして、ようやく周期が 倍になる。ブランコを 1 段長くしても、押す間隔はそれほど変わりません。

揺らす振動数を変えていく

外から周期的な力を加えると、物体は加えた側の振動数で振れます。自分の固有振動数では振れない[1]。

変わるのは振幅のほうです。加える振動数が固有振動数に近いほど、振幅が大きくなる。

振幅を縦軸、揺らす振動数を横軸にとったグラフを共振曲線といいます[3]。山が 1 つあり、その頂上が固有振動数のあたり。

減衰が浅いほど鋭くなる

摩擦や空気抵抗でエネルギーが失われる度合いを減衰といいます。減衰が小さいほど、山は高く細くなる[1]。

減衰がとても小さいと、山が細くなって当てるのが難しくなります。ぴたりと合ったときだけ大きく振れる[3]。

ラジオの選局はこの細さを使う。特定の振動数だけを拾い、隣の放送を落とすには、鋭い山が要る[1]。

共振の鋭さを数で表す

山の細さは、振幅が最大の になるところまでの幅で測ります。この幅を とすると、鋭さは次の比で表せる[1]。

が大きいほど山が細い。減衰が小さい系ほど が大きくなります。

例:ラジオの選局

の放送を受けたいとします。隣の局が 離れている。

隣を落とすには が より小さい必要があります。

を超える鋭さが要る。ラジオの同調回路が、わざわざ減衰を抑えて作られている理由です[1]。

例:合っていないときの振れ方

固有振動数の半分で揺らすと、振幅は静かに押さえたときの 倍ほどにしかなりません。

倍の振動数で揺らすと、 倍まで落ちます。速すぎる揺さぶりには、物体がついていけない。

ちょうど合わせたときだけ 倍を超える。山がどれだけ急かが、この 3 つの数から見えます。

揺れの向きも変わる

ゆっくり揺らすと、物体は加える力と同じ向きへ動きます。手で押した向きへ素直についてくる形。

速く揺らすと、逆向きに動くようになる。力を右へ加えているのに、物体は左へ振れています[3]。

共振はちょうどその境目です。おくれが 分の 周期になり、力と速度が同じ向きにそろう[3]。

押すタイミングは端ではない

共振しているとき、揺れは加える力より 4 分の 1 周期おくれる[3]。

力がいちばん大きい瞬間に、揺れはちょうど中央を通っている。速度が最大の瞬間です。

だからブランコは、いちばん高く上がった端ではなく、いちばん速く通り過ぎる瞬間に押すのが効きます。進む向きへ押せば、仕事がそのまま加わる。

例:押しかたを変えてみる

端で押すと、力の向きと動く向きが直交しがちで、仕事がほとんど加わらない。

中央で進行方向へ押せば、力と速度が同じ向き。加えたぶんがそのままエネルギーになる。

同じ強さで押しても、タイミングだけで結果が変わる。共振が「合わせる」現象と呼ばれるゆえんです。

音の共鳴も同じこと

気柱や弦にも固有振動数があります。その振動数の音を当てると、大きく振れて鳴り出す[2]。

音の場合はとくに共鳴と呼びますが、起きていることは強制振動の共振と変わりません。

例:閉管の共鳴

長さ の閉管を考えます。音速を とする。

の音叉を管口で鳴らすと、管が大きく響きます。 や では、ほとんど鳴らない。

奇数倍の でも共鳴する。閉管が立てられる形が、その振動数に合うためです[2]。

例:音叉を 2 つ並べる

同じ振動数の音叉を 2 つ並べ、片方だけを鳴らす。しばらくすると、もう片方も鳴り始める。

空気を伝わった音が、2 つめの音叉にとって周期的な力になっています。振動数がそろっているので、小さな力でも振れが積み上がる。

片方に輪ゴムを巻いて振動数をずらすと、もう鳴りません。合っているかどうかだけが効いている証拠です。

揺れすぎると壊れる

減衰が小さい構造に、固有振動数に近い揺れが加わり続けると、振幅が危険なほど大きくなる[3]。

歩行者用の橋が、人の歩調と合って大きく揺れた例が知られています[1]。

対策は 2 つ。固有振動数を、加わる揺れの成分から外すか、減衰を増やして山を低くするか。どちらも共振曲線を動かす操作です。

長さ の振り子を、いちばん大きく振らせたいとします。何秒に 1 回の割で押せばよいですか。重力加速度は とします。

  • 秒
  • 秒
  • 秒
__RESULT__

です。固有周期に合わせて押すと、小さな力でも振幅が積み上がります。 秒は の値をそのまま周期にしてしまった答えになります。

減衰の効き方も確かめます。

共振している系の減衰を小さくすると、共振曲線はどう変わりますか。

  • 山が低くなり、幅も狭くなる
  • 山が高くなり、幅は狭くなる
  • 山が高くなり、幅も広がる
__RESULT__

減衰が小さいほどエネルギーが失われにくいので、山は高くなります。同時に幅が狭くなるので、振動数がぴたりと合ったときだけ大きく振れる。ラジオの選局は、この狭さを利用しています。

整理

固有振動数は、その物体が自分で揺れるときの振動数。
強制振動では、物体は加えた側の振動数で振れる。
振幅は、加える振動数が固有振動数に近いほど大きくなる。
減衰が小さいほど、共振の山は高く細くなる。
共振している系の揺れは、加える力より 4 分の 1 周期おくれる。
気柱や弦の共鳴も、起きていることは同じ強制振動。

強さではなく、合わせること。小さな力を周期を合わせて積み上げるだけで、ブランコも橋も大きく揺れます。

出典

Forced Oscillations. University Physics Volume 1, OpenStax.
Standing Waves and Resonance/Book%3A_University_Physics_I_-_Mechanics_Sound_Oscillations_and_Waves_(OpenStax)/16%3A_Waves/16.07%3A_Standing_Waves_and_Resonance). University Physics Volume 1, OpenStax / Physics LibreTexts.
*Erzwungene gedämpfte Schwingungen*. Lernplattform Physik, Universität Göttingen.
強く押すより、周期を合わせて押すほうが効きます。外から周期的に揺らすと物体は加えた側の振動数で振れ、変わるのは振幅のほう。固有振動数に近いほど大きくなり、その山を描いたものが共振曲線です。くさり 2.5 m のブランコなら 3.2 秒に 1 回。減衰が小さいほど山は高く細くなるので、ラジオの選局には $Q$ が 400 を超える鋭さが要る。共振では揺れが力より 4 分の 1 周期おくれ、力と速度が同じ向きにそろいます。だから端ではなく、いちばん速く通り過ぎる瞬間に押すのが効く。閉管や音叉の共鳴も、起きていることは同じ強制振動です。