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ばねの振動

 
 

 ばねに外力を加えると条件によって様々な振動が起こります。
例えば、つるしたばねにばねに重りを加えるとばねは振動しはじめます。このように、振動を開始させる際、瞬間的に外力を加え振動させたものを自由振動といいます。
 その後、外力を瞬間的に加えたのち、ばねは一定の振動を行います。このように一定の振動数で行う振動を固有振動といいます。
 しかし、ばねの固有振動は空気抵抗などの別の外力が振動中にかかるため、永久に一定というわけではありません。時間が経てば次第に振動は止まってしまいます。このように時間が経ち振動が徐々に止まっていくことを、減衰といい、この振動を減衰振動といいます。


図1 自由振動


重りのついたばねを瞬間的に動かすとばねは動きはじめます。


図2 固有振動


外力が加わったばねは一定の振動を図2の周期のように行われます。

図3 減衰振動
ばねの振動 減衰振動 完成図.jpg

一定の振動が行われたのち、図3のように時間が経過するに連れ、振動の幅が減少します。


まとめ

1.瞬間的に外力が働き振動し始めるのが自由振動

2.外力を加えたのち、一定な振動数で振動を行うのが固有振動

3.振幅が徐々に小さくなるのが減衰振動




 

 

 

 

 

 

ばねの振動②

 
 

 ばねの振動は上記の3つだけではありません。

減衰力や復元力といった、ばねの運動自体によって発生する力でない外力が周期的に働くときには一定の振動を続けることができ、これを強制振動といいます。

また、外力を加えて後の固有振動と強制的な外力を加えた強制振動の振動周期が一致することがあり、これを共振(共鳴)といいます。


図4 共振の実験図




図4はおもりのつけたばねを上下に動かす実験です。手でばねの先端を持って反対側の先端におもりを付け、手でばねを上下させて動かすイメージです。
まず①のように上からゆっくりとばねを動かすと、これにつられておもりもゆっくりと動きます。
次に②のように少し早く動かすと重りの動きも大きくなってきます。これが共振です。
しかし、③のようにできる限り早くばねの部分を動かすとおもりはほとんど動かなくなってしまいます。
なぜこの様な現象が起こるかというと、上からばねを動かす振動と重りによって動く振動が重なって振動を抑えているのです。

一般的に物理の法則の観点で述べてきましたが、ばねが運動する際には必ず共振が発生します。
このことから、ばねを設計する際には共振を起こさないようにすることが重要となります。


関連項目

 

>ばね設計 「ばね設計手順 7つのポイント」

 

>ばね設計 「ばね材料選択 5つのポイント」

 

>ばね設計「押しばね設計 5つのポイント」

 

>ばね設計「引きばね設計 5つのポイント」

 

>ばね設計「ねじりばね設計 7つのポイント」

 

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