回るものはなぜ揺れる — 回転不つり合い
完全につり合った回転体はありません — 中心から少しずれた質量 m が半径 e で ω で回ると、外向きに回る力 F₀ = m·e·ω² が機械全体を揺らします。恐ろしいのは ω の二乗で、小さな不つり合いも高速では巨大な力に — 洗濯機が脱水で歩き、ずれたタイヤが震える理由です。
回転体の中の少し偏った質量を見てください。速度 ω を上げると外向きに回る力 F₀ = m·e·ω² が大きくなります — 速度の二乗で、2倍速ければ力は4倍。だから高速回転体は小さな不つり合いも放置できません。
その回る力が機械全体(質量 M)を揺らします。速度比 r = ωωₙ を上げてみてください。遅いとほとんど揺れず(力が小さいから)、r=1 共振で大きく揺れ、さらに速くなると揺れは消えずに一定の大きさへ落ち着きます。
応答曲線が他の振動と決定的に違います。r を動かしてみてください。低いと r² で膨らみ、r=1 で共振の山、そして高速では 0 に落ちずに M·X(m·e) → 1 で平らに留まります。つまり振幅が X → m·eM で一定に(高速では機械が重心の周りを回る)。
解決策は力の源をなくすことです。反対側に釣り合いおもりを足して m·e を打ち消してみてください。おもりを大きくするほど、回る力も機械の揺れも一緒に減ります。タイヤに付ける小さな鉛のおもりがまさにこれ — つり合わせて m·e を 0 へ。
同じ m·e·ω² が至るところで問題を起こします。例を切り替えてみてください — 洗濯機の脱水(洗濯物が偏ると m·e↑ で共振を通って歩く)、自動車のタイヤ(高速で震え → ホイールバランス)、タービン・ロータ(精密バランス必須)。処方は二つに一つ — m·e を減らす(バランス取り)か、共振を素早く抜けて高速で回すか。