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単語帳
機械振動

回るものはなぜ揺れる — 回転不つり合い

偏心質量の回転力 F₀=m·e·ω²(速度の二乗)、応答 M·X/(m·e)=r²/√((1−r²)²+(2ζr)²)、高速で X→m·e/M、対策はバランス取り

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。

実際に使う回転不つり合いは強制振動(A4)の一種ですが、力が自ら生まれます。中心から e ずれた質量 m が ω で回ると F₀ = m·e·ω² — 速度の二乗で大きくなる回転力が生じます。機械(質量 M)の無次元応答は M·X(m·e) = √((1−r²)²+(2ζr)²)、r = ωωₙ。三つの区間が肝心です。低速(小さく ∝ r²)→ 共振(r=1 ピーク)→ 高速(→1、すなわち X → m·eM で一定)。最後が他の振動との違い — 振幅は消えずに一定値へ落ち着きます(高速では機械が重心の周りを回る「自己中心化」)。処方は二つ — m·e を減らす(釣り合いおもり・バランス取り、タイヤの鉛)か、共振を素早く抜けて高速で回す(ただし始動・停止で共振を一度通過)。洗濯機・自動車のタイヤ・タービン・ロータは、すべてこの一つの式の上にあります。
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