seegongsik
機械振動 わかりやすく

梁の曲げ振動 わかりやすく

梁は張力でなく曲げ剛性(EI)で振動、モードはサインでなく振動数も整数倍でない(片持ち 1:6.27:17.5)、f₁ ∝ √(EI/ρA)/L²

弦は張った張力が戻しましたが、飛び込み台や定規の端は張力がまったくなくても、弾けば戻って振動します。曲がった梁が自分の曲げ剛性(EI)で伸びるからです。梁も限りないモードを持つ連続体ですが、弦と違い、振動数は基音の整数倍ではありません。その非調和が、梁の音を弦と違うものにします。

片持ち梁、つまり一方が固定で一方が自由な梁の端を引いて離します。張力はまったくないのに、曲がった梁が自分の曲げ剛性で伸びながら振動します。弦は張力が戻し、梁は剛性が戻します。復元が出てくる場所が違います。同じ揺れに見えても、力の出どころが違います。

何が梁の振動数を決めるのでしょう。f₁ ∝ √(EIρA)L² です。剛性 EI と長さ L を動かします。弦では長さは 1 乗でしたが、梁では L の 2 乗なので、長さを 2 倍にすると振動数は 14 に落ちます。長い構造物がとりわけふらつく理由がここにあります。長さが少し伸びただけでも、音は大きく下がります。

より高いモードを選びます。梁のモードの形は正弦ではなく、端へ行くほど揺れる特有の曲線です。振動数の比は 1 : 6.27 : 17.5 で、弦の 1 : 2 : 3 と違い整数倍ではありません。この非調和のため、叩いた棒は音程ではなく、タンという音になります。整数から外れているので、音は重なりません。

梁は両端をどう持つかがすべてを変えます。片持ち(固定と自由)、単純支持(ピンとピン)、自由と自由を切り替えると、同じ梁でも基本振動数の係数が 3.5 → 9.9 → 22.4 と大きく変わります。両端が自由な梁が、まさに音叉とシロホンの棒です。持ち方が音をまるごと移します。

同じ曲げ振動があちこちにあります。例を送ると、飛び込み台(片持ち)、飛行機の翼(片持ちの曲げ、フラッターの危険)、音叉とシロホンの棒(自由と自由、倍音を音楽的に整えたもの)が出てきます。梁のモードを知れば、何が揺れ、いつ危険かが見えます。境界が変われば、危険の場所も変わります。

実際に使う梁は張力ではなく曲げ剛性(EI)で戻る連続体です。限りなく多くのモードを持ちますが、弦とは二つが決定的に違います。モードの形が正弦ではなく、振動数が整数倍ではありません。片持ちは 1 : 6.27 : 17.5 です。だから叩いた棒は音程のないタンという音で、シロホンと音叉は棒を削って倍音をわざと音楽的に合わせたものです。基本振動数は f₁ ∝ √(EIρA)L² で、長さの 2 乗が入るので、長いほど急にふらつきます。両端の境界、片持ちと単純支持と自由‐自由が、モードと振動数をまるごと変えます。飛び込み台も翼も橋もシロホンも、みなこの一つの式の仲間です。実務はいつも同じです。モードの形と振動数を見つけ、駆動がそのどれとも重ならないように避けます。
← 機械振動 わかりやすく
このページがお役に立ったなら支援する