付録 A 1 自由度系(自由振動)の解法 はじめに 振 動 現 象 を 解 明 す る の に 基 本 と な る 1 自 由 度 不 減 衰 系( 自 由 振 動 )の 運 動 方 程 式の作成方法とその微分(あるいは偏微分)方程式の解法を説明する. 1 自由度系モデルには,単振動のばね‐質量モデルと数学振子を用いる. 運動方程式(微分方程式)を立てる A.1 A.1.1 ばね‐質量の場合 ( 1) 単 振 動 の 運 動 か ら 運 動 方 程 式 を 求 め る x k m 単 振 動 ( ば ね ‐ 質 量 )( x 軸 ) 図 A.1 単 振 動 を 想 定 し て , 次 の 式 ( A.1) と お く . sin ( A.1) したがって cos ( A.2) sin ( A.3) いま,ニュートンの運動方程式により次式が求められる. ( A.4) 式 ( A.4) に 式 ( A.3) を 代 入 す る と ( A.5) よって -1- ( A.6) を求められる. 解( 式( A.1))を 想 定 し て 始 め た の で ,運 動 方 程 式( 微 分 方 程 式 )の 作 成( 式 ( A.4)) と 同 時 に 解 ( 式 ( A.6)) が 得 ら れ る . ( 2) レ イ リ ー の 方 法 ( 最 大 の 運 動 エ ネ ル ギ ー = 最 大 の 位 置 エ ネ ル ギ ー ) 運 動 の エ ネ ル ギ ー と 位 置 の エ ネ ル ギ ー を そ れ ぞ れ T, U と お く と ( A.7) ( A.8) sin ( A.9) とおけば ( A.10) ( A.11) 式 ( A.10) = 式 ( A.11) よ り ( A.12) の 不 減 衰 固 有 角 振 動 数 が 式 ( A.6) と 同 様 に , 式 ( A.12) が 求 め ら れ る . こ の 場 合 に は「 力 学 的 エ ネ ル ギ ー 保 存 の 法 則 」を 用 い て い る .運 動 方 程 式 は ,次 に 述 べ るラグランジュの方程式から求める. ( 3) ラ グ ラ ン ジ ュ の 運 動 方 程 式 か ら 求 め る 後 述 の 式 ( A.23 ) に 詳 述 す る ラ グ ラ ン ジ ュ の 運 動 方 程 式 を 次 式 に 示 す . 0 ( A.13) 前 述 の 式 ( A.7) と 式 ( A.8) か ら , 次 の 式 ( A.14) と 式 ( A.15) を 得 る . , ( A.14) -2- ( A.15) 式 ( A.14) と 式 ( A.15) を 式 ( A.13) へ 代 入 す る と 0 ( A.16) こ の よ う に , 式 ( A.4) と 同 じ く 微 分 方 程 式 , 式 ( A.16) が 求 め ら れ る . ラグランジュの運動方程式の座標は直線座標でも角座標(一般座標)でもよい. 単振子(数学振子)の場合 A.1.2 ( 1) 一 般 座 標 の 円 弧 の 接 線 方 向 の つ り 合 い か ら 求 め る 0 糸の長さ l 図 A.2 単振子(一般座標) 円 弧 s の 接 線 方 向 に お い て ,ニ ュ ー ト ン の 運 動 方 程 式 か ら ,次 式 が 求 め ら れ る . sin sin ( A.17) ならば · 0 ( A.18) しかるに 0 結局, ( A.19) か ら 式 ( A.4) と 同 じ く 微 分 方 程 式 , 式 ( A.19) を 得 る . ( 2) ラ グ ラ ン ジ ュ の 方 程 式 か ら 求 め る ( A.20) 運動のエネルギー cos 位置のエネルギー ( A.21) ここでラグランジュの運動方程式を用いる. 0 -3- ( A.22) いま 0 ( A.23) であるから , ( A.24) sin ( A.25) 式 ( A.24) と 式 ( A.25) を 式 ( A.23) へ 代 入 す る と sin sin 0 ( A.26) の場合 0 ( A.27) を得る. し か る に ,式( A.4),式( A.19)と 同 じ く 微 分 方 程 式 ,式( A.27)が 求 め ら れ る . なお,ラグランジュの式は非保存的力学系にも次の式で示される. ( A.28) D は散逸関数. ( 3) 単 振 子 の 運 動 を デ カ ル ト 座 標 ( , の直交座標)から求める 0 糸 の 張 力 Ft , 図 A.3 , 単振子(デカルト座標) 座 標 か ら ニ ュ ー ト ン の 運 動 方 程 式 よ り ,式( A.29),式( A.30)が 成 立 す る . sin ( A.29) cos -4- ( A.30) た だ し , 糸 の 張 力 Ft と お く . 式 ( A.29) ×cosθ , 式 ( A.30) ×sinθ により cos sin cos sin sin 式 ( A.31) - 式 ( A.32) cos ( A.31) sin cos ( A.32) より sin sin ( A.33) ~~~~~~~~~~~~~~~ 参考:公式 , なるとき, ′ ′ また, · ~~~~~~~~~~~~~~~~ いま, sin であるから,時間 t で 2 回微分すると(上記公式参照) cos cos また, cos cos ( A.34) sin ( A.35) であるから,同様に sin sin sin ( A.36) cos ( A.37) 式 ( A.35) と 式 ( A.37) を 書 き 直 す と sin cos ( A.38) cos sin ( A.39) 式 ( A.38) と 式 ( A.39) を 式 ( A.33) へ 代 入 cos sin cos sin cos cos sin sin sin -5- sin ( A.40) ( A.41) sin sin こ こ で , sin ( A.42) 0 ( A.43) ならば 0 ( A.44) 結 局 , 式 ( A.4) と 同 様 に 微 分 方 程 式 , 式 ( A.44) を 得 る こ と が で き る . [ 参 考 1] 糸 の 張 力 を 求 め る こ こ で 参 考 の た め , 図 A.3 の 糸 の 張 力 を 求 め る . 糸 の 張 力 は Ft で あ る . ① 法線方向(遠心力とのつり合い) cos いま, ( A.45) より cos ( A.46) ② 接線方向 sin より,左辺に ,右辺に ( A.47) を乗じる sin · ( A.48) よ っ て 両 辺 に dt を 乗 じ て 両 辺 そ れ ぞ れ 積 分 す る と sin ( A.49) 2 cos ここで 0 のとき (C は積分定数) ( A.50) とする 2 ( A.51) したがって 2 ③ 1 糸の張力 -6- cos ( A.52) 座標 , において 1 cos ( A.53) 2 ( A.54) したがって こ れ に よ り , 式 ( A.46) は cos cos 0 2 2 3 cos 3 1 (また,公式 cos 2sin 1 より) 6sin ( A.55) として得られる. た だ し ,θ> π/2 の と き は 糸 が た る む の で ,式( A.55)の 成 立 は θ≦ π/2 の場合 である. ち な み に ,振 子 を 水 平( θ = π/2)の 位 置 で 静 止 さ せ ,静 か に 放 し た 場 合 の 最 下 点 ( y 軸 上 ) に 来 た と き の 糸 の 張 力 は θ=0 を 式 ( A.55) に 代 入 し , 2 であ るから 3 となる. [ 参 考 2] 二 重 振 子 図 A.4 長さ ,質量 二重振子 の単振子を 2 個直列に接続した系の運動方 -7- 程式と固有角振動数,固有モードを求める. まず,運動エネルギー と位置エネルギー は 2 ( A.56) こ れ よ り , 式 ( A.56) を 本 書 の 式 ( 2.119) ラ グ ラ ン ジ ュ の 運 動 方 程 式 に 当 て は めて, ラグランジュの運動方程式は次のとおり 0 1, 2, , 次の運動方程式が得られる. 0 0 ( A.57) よって = 2 √2 ( A.58) 1 次モード 0.414 ( A.59) 2 次モード 2.41 A.2 ( A.60) 運動方程式(微分方程式)を解く 運動方程式が立てられたので,これらの方程式を解く. ( 1) 微 分 方 程 式 を , 演 算 子 を 用 い て 解 く 単振動の微分方程式を解く. はじめに,2 階の微分方程式である次の演算子の説明をする. 0 -8- ( A.61) 第 2 階微分方程式を解くと次式の公式に当てはまる. ( A.62) さて,ここで とおいて,これを演算子と呼ぶ. 式 ( A.61) に つ い て 演 算 子 を 用 い て 書 く と 0 ( A.63) である. ( A.64) 演算子を用いて 0 ( A.65) よって ( A.66) , し た が っ て 式 ( A.62) に 当 て は め る と ( A.67) ただし, 1 の虚数単位とする. 式 ( A.67) は 次 の オ イ ラ ー の 公 式 を 利 用 し て 正 弦 波 ま た は 余 弦 波 に 変 換 す る . ~~~~~~~~~~~~~ オイラーの公式 cos sin ~~~~~~~~~~~~~ 式( A.67)の 実 時 間 t に 対 す る 実 現 象 の 変 位 x は 実 数 値 な の で ,虚 数 部 が 零 で あ -9- るためには, , は複素数でなければならない.したがって, , を複素 数とおいて,オイラーの公式を用いると sin ( A.68) ただし ( A.69) は初期条件により決まる位相, は初期条件により決まる振幅として求められ る. 不 減 衰 角 固 有 振 動 数 は 式( A.6),式( A.12),と 同 じ く ,式( A.69)が 得 ら れ る . ******************** 公 式 ( A.62) の 考 え 方 の 説 明 を す る . 2 階 の 微 分 を 行 う 式( A.61)が 成 立 す る に は ,そ の 解 x は 正 弦 波( sin)ま た は 余 弦 波 ( cos) あ る い は 指 数 導 関 数 以 外 に 存 在 し な い . 式 ( A.61) に は / の項が無いので周期振動が確実であり x は正弦波ま たは余弦波と置くことができるが, / の項がある場合にも対応できるよう に ,解 x を 指 数 関 数 と 置 く .さ ら に ,解 は 2 次 方 程 式 か ら 求 め る た め ,2 根 で あ るから は と の 重 ね 合 わ せ と す る . し た が っ て , 解 は 式 ( A.62) と 置くことができる. ********************* ( 2) 微 分 方 程 式 を ラ プ ラ ス 変 換 に よ り 解 く 0 ( A.70) の場合について,両辺をラプラス変換を行う ʆ : (ラプラス変換記号) 0 ʆ ( A.71) すなわち ʆ ʆ ここで - 10 - 0 ( A.72) ʆ ʆ 初期条件 0 , 0 0 0 ( A.73) を代入し ʆ ʆ ( A.74) よって ʆ ʆ 0 ( A.75) しかるに ʆ · ( A.76) ここでラプラス逆変換を行う. ʆ -1 ʆ : (ラプラス逆変換記号) ʆ ʆ ʆ ʆ ( A.77) ここでラプラスの原関数 と像関数 の 関 係( ラ プ ラ ス 変 換・逆 変 換 )よ り , ~~~~~~~~~~~~~~~~ 参考:ラプラス変換と逆変換 ʆ , ʆ cos , sin , ~~~~~~~~~~~~~~~ cos sin sin ただし - 11 - ( A.78) ( A.79) tan ( A.80) とする. こ の よ う に 式 ( A.78) に お い て 変 位 x の 時 間 に よ る 変 化 が 式 ( A.68) と 同 様 に 求 め ら れ る .不 減 衰 角 固 有 振 動 数 は 式( A.6),式( A.12),式( A.69) と 同 じ く , 式 ( A.79) が 得 ら れ る . - 12 - 付録 B いろいろな連続体の振動モードと固有振動数 はじめに 連 続 体 の 固 有 角 振 動 数 の 算 出 方 法 に 両 端 単 純 支 持 の 梁 の 横 曲 げ を 取 り 上 げ ,円 板や長方形板などの連続体の固有モードと固有振動数をまとめた. B.1 細い梁の横振動を考える. 梁の横振動 x 軸上の梁のたわみの変位 y は,距離 x と時間 t の 関数として表されるので,これを y x, t と お く . 梁 の 長 さ l , 断 面 積 A, 材 料 の 縦 弾 性 係 数 E,断 面 二 次 モ ー メ ン ト I と お く . dx 部 分 の 左 側 に 作 用 す る せ ん 断 力 F, 曲 げ モ ー メ ン ト M と す る と ( 図 B.1 参 照 ) dx x 0 x y y F dF F Adx 図 B.1 F 2 y t 2 棒の横振動 M 2 y EI 2 x x x ( B.1) dx 部 分 の 右 側 に 作 用 す る せ ん 断 力 F dF は 2 y 2 F dF EI 2 2 x x x 2 y EI 2 dx x ( B.2) こ こ で 材 料 の 密 度 を ρ と お く と , dx 部 分 の 質 量 は Adx , こ れ に せ ん 断 力 の 作 用 - 13 - する方向で運動方程式を立てると 質 量 ×加 速 度 = 外 力 より Adx 2 y t 2 2 y 2 EI x x 2 x 2 2 y 2 y EI 2 dx EI 2 x x x ( B.3) 2 y EI 2 0 x ( B.4) したがって A 2 y 2 t 2 x 2 均 一 な 棒 の 場 合 は , EI= 一 定 . 2 y 4 y A 2 EI 4 0 t x ( B.5) ここで,曲げ振動の基本方程式が求まった. 運 動 方 程 式 の 解 y x, t を 変 数 分 離 法 に よ っ て 求 め る た め に , 変 数 x だけを含む 関 数 X x , 変 数 t だ け を 含 む 関 数 Rt と し て y x, t X x Rt で表す. 基 準 関 数 を X x ; 振 動 モ ー ド を 決 定 す る . 基 準 座 標 を Rt ; A0 , B0 を 任 意 定 数 , 固 有 角 振 動 数 ω と す る と Rt A0 cos t B0 sin t したがって y x, t X x A0 cos t B0 sin t ( B.6) 式( B.6)を 式( B.5)の 基 礎 方 程 式 に 代 入 し て 固 有 角 振 動 数 等 を 求 め る こ と に な る.代入すると 0 より EI d 4 X x 2 AX ( x) 0 4 dx ここで 4 2 A EI , 2 とおくと - 14 - EI A d 4 X x 4 X x 0 4 dx 式 ( B.7) の 一 般 解 は ( B.7) X x Ce x と し て 式 ( B.7) に 代 入 す る と 4 4 したがって, , j ( j は 虚 数 単 位 ) よ り , 一 般 解 は X x Ae jx Be jx Ce x De x 上式を改めて X x C1 cosh x C 2 sinh x C 3 cos x C 4 sin x ( B.8) と な る . 任 意 定 数 C1~ C4 は 境 界 条 件 か ら 求 め る . い ま ,梁 の 境 界 条 件 を 両 端 単 純 支 持( 支 持 - 支 持 )の 場 合 を 想 定 し て 解 を 求 め る . 単 純 支 持 の 場 合 は , た わ み と 曲 げ モ ー メ ン ト は 零 ( 0) で あ る か ら y 0 , EI 2 y d 2 X x X x 0 0 で あ る か ら , , 0 x 2 dx 2 である.同様に y l ( B.9) に お い て も 式 ( B.9) が 成 り 立 つ . ~~~~~~~~~~~~~~ ここで次の関係式を利用する. sinh x e x ex 2 cosh x e x ex 2 d sinh x cosh x dx d cosh x sinh x dx ~~~~~~~~~~~~~~ これより x 0 の と き X x 0 , d 2 X x 0 dx 2 x l の と き X x 0 , d 2 X x 0 dx 2 - 15 - ( B.10) し た が っ て , 式 ( B.8) と 式 ( B.10) よ り C1 C3 0 C1 C3 0 C1 cosh l C2 sinh l C3 cos l C4 sin l 0 C1 cosh l C2 sinh l C3 cos l C4 sin l 0 ( B.11) 式 ( B.11) か ら C1 C2 C3 0 sinl 0 ( B.12) 式 ( B.12) の 振 動 数 方 程 式 が 得 ら れ た . よって l n ( n= 1, 2, 3, … ) 固有角振動数は 2 n EI n l A ( n= 1, 2, 3, … ) ( B.13) 基 準 関 数 は 任 意 定 数 C( = C 4 ) と し て Xx Csinx Csinn x l ( B.14) が 求 め ら れ た . 後 述 の 表 B. 1 を 参 照 さ れ た い . B.2 いろいろな連続体形状の固有モードと固有振動数 連 続 体 の 代 表 例 と し て 前 述 B.1 に 両 端 単 純 支 持 の 梁 を 取 り 上 げ た .次 に い ろ い ろ な 形 状 の 連 続 体 の 固 有 振 動 数 を 列 挙 す る .図 B.4,表 B.2~ 表 B.4 の 数 値 は「 日 本 機 械 学 会 編 : 機 械 工 学 便 覧 , 基 礎 編 a2 機 械 力 学 , 丸 善 , 2007」 を 参 照 し た . なお, f , f : 固 有 振 動 数 ( 単 位 : Hz あ る い は s - 1 ), : 固 有 角 振 動 数 2 ( 単 位 : rad/s). ( 1) 棒 の 縦 振 動 - 16 - fn n 2 l E ( B.15) n:振動系の次数 E :縦弾性係数 :密度(単位体積当たりの質量) c E :波の伝播速度 l:棒の長さ n : 自 由 - 自 由 ; 1 , 2 2 , 3 3 , , 2 3 / 2 , 3 5 / 2, 固 定 - 自 由 ; 1 / 2 ( 2) 丸 棒 の ね じ り 振 動 一端固定,他端自由 fn n G 2 l ( B.16) n : 振 動 系 の 次 数 , n 0,1,2,3, G :横弾性係数 :密度(単位体積当たりの質量) l:棒の長さ n : 自 由 - 自 由 ; 1 , 2 2 , 3 3 , 固 定 - 自 由 ; 1 / 2, 2 3 / 2, 3 5 / 2, ( 3) 梁 の 横 振 動 n 2 fn 2 l 2 EI A n : 振 動 系 の モ ー ド 次 数 ( 図 B.2 参 照 ) A:梁の断面積 I :断面二次モーメント E :縦弾性係数 n : 表 B. 1 参 照 :密度(単位体積当たりの質量) l:棒の長さ - 17 - ( B.17) 節 節 節 節の数:4 節の数:3 節の数:2 1 次モード 3 次モード 2 次モード ( a) 両端自由(自由-自由) 腹 1 次モード 2 次モード 腹 節 腹 3 次モード 腹 ( b) 片 持 ち 梁 ( 固 定 - 自 由 ) 図 B.2 梁の曲げ振動モード - 18 - 式 ( B.17) の n 表 B. 1 1 2 3 1次 2次 3次 単純支持(支持-支持) π 2π 3π 片 持 ち 梁 ( 固 定 - 自 由 ) 1.875 4.694 7.855 片 持 ち 梁 ( 固 定 - 支 持 ) 3.927 7.069 10.210 自由-自由 4.730 7.853 10.996 固定-固定 4.730 7.853 10.996 ( 4)完 全 輪 の 半 径 方 向 振 動( 円 形 輪 の 中 央 線 が 伸 縮 す る 半 径 方 向 変 位 の み の 場 合 ) fn 1 n2 2 R E ( B.18) n : 全 波 形 の 数 ( モ ー ド 次 数 )( 図 B. 3 参 照 ) E :縦弾性係数, :密度(単位体積当たりの質量) R :輪の半径(輪の中央線) n4 n3 n2 図 B.3 完全輪の振動モード ( 5) 円 形 膜 の 横 振 動 f ns ns T 2R a ( B.19) T : 単 位 長 さ 当 た り の 一 定 の 張 力 ( N/m) a : 単 位 面 積 当 た り の 質 量 ns の n : 周 方 向 の 次 数 , s : 半 径 方 向 の 次 数 ( 節 円 の 数 )( 図 - 19 - B.4 参 照 ) 00 0.765 01 1.760 図 B.4 10 1.216 20 1.637 30 2.027 11 2.234 円形膜の固有モードと λ た だ し , 円 周 の 拘 束 (境 界 )条 件 は 外 周 R に 沿 っ て ,「 半 径 R, 周 方 向 θ, 時 間 t」 に関して 0 とする. ( 6) 円 板 の 横 振 動 外内周に沿って一様な境界条件をもつ円板 f ns 1 Par 2 R 2 0.33 D a ポアソン比 n:節直径の数 s:節円の数 固 有 モ ー ド は 図 B.4 と 同 じ R :半径 D:円板の曲げ剛性 2 12 E :縦弾性係数, t: 板 厚 a : 単 位 面 積 当 た り の 質 量 ( kg/m 2 ) Par : パ ラ メ ー タ 表 B.2 参 照 - 20 - ( B.20) 表 B.2 n 式 ( B.20) の Par 0 s 1 2 3 0 - - 5.253 12.23 1 9.084 20.52 35.25 52.91 2 38.55 59.86 83.9 111.3 3 87.80 119.0 154.0 192.1 0 10.21 21.26 34.88 51.02 周辺固定 ν 1 31.77 60.82 84.58 111.0 に無関係 2 89.10 120.1 153.8 190.3 3 158.2 199.1 242.7 289.2 周辺自由 ( 7) 円 筒 殻 の 半 径 方 向 振 動 平均半径 R をもつ薄い円筒殻 f n 1 Par 2 R 2 E ( B.21) h 0.02 , 0 .3 R m, n : 振 動 数 の 次 数 ( こ こ で は 円 筒 殻 長 さ 方 向 の 波 m は 考 慮 し な い .) n : 周 方 向 波 数 ( 図 L :円筒殻の両端 B.5 参 照 ) 拘 束 条 件 ; 両 端 に 沿 っ て 単 純 支 持 辺 x 0 , L h:円筒厚 R :円筒殻の半径 :密度(単位体積当たりの質量) Par : パ ラ メ ー タ 表 B.3 参 照 - 21 - 節直径の数:6 節直径 円 筒 (両 端 に 沿 っ て 単 純 支 持 辺 ) 図 B.5 円 筒 殻 の 振 動 モ ー ド ( n=5 次 モ ー ド ) 表 B. 3 式 ( B.21) の Par モ ー ド( n) 1 2 3 4 2 0.1645 0.1795 0.2116 0.2320 4 0.0780 0.0982 0.1196 0.1478 8 0.0371 0.0494 0.0894 0.0916 L/R ( 8) 長 方 形 板 の 横 振 動 ① 周辺単純支持 f mn m, n:振動次数 2 D m2 n2 a a 2 b 2 ( B.22) 周 辺 単 純 支 持 ( x, y 方 向 の 半 波 数 ) 図 B.6 参 照 a : 単 位 面 積 当 た り の 質 量 kg⁄m a:横長さ(x 軸 ) b:縦長さ(y 軸) D Eh 3 :板の曲げ剛性 121 E :ヤング率(縦弾性係数) h:板厚 : ポ ア ソ ン 比 = 0.3 ② 長 方 形 の 周 辺 境 界 条 件 の 違 い に よ る 固 有 周 波 数 を 求 め る と ,次 の 式 と な る . - 22 - f mn 1 Par 2 a 2 D ( B.23) a Par : パ ラ メ ー タ 表 B. 4 参 照 . 節 a b 節 節 2.1 次 1.2 次 1.1 次 図 B.6 表 B. 4 節 2.2 次 長方形板の固有モード 式 (B.23)の Par ab 境界条件 モード 0.4 2/3 1 1.5 2.5 1 3.433 8.931 13.47 20.09 21.45 2 5.278 9.517 19.60 21.41 32.99 3 9.541 20.68 24.27 46.35 59.63 4 11 . 3 3 22.18 34.80 49.91 70.80 1 11 . 4 5 ( m = 1 , n = 1 ) 14.26(m=1,n=1) 19.74(m=1,n=1) 32.08(m=1,n=1) 71.55(m=1,n=1) 2 16.19(m=1,n=2) 27.41(m=1,n=2) 49.35(m=1,n=2) 61.68(m=2,n=1) 101.2(m=2,n=1) 3 24.08(m=1,n=3) 43.86(m=2,n=1) 49.35(m=2,n=1) 98.70(m=1,n=2) 150.5(m=3,n=1) 4 35.14(m=1,n=4) 49.35(m=1,n=3) 78.96(m=2,n=2) 111 . 0 ( m = 3 , n = 1 ) 219.6(m=4,n=1) 固 定 (ν に 1 23.64 27.00 35.98 60.70 147.8 無関係) 2 27.81 41.70 73.39 93.83 173.8 3 35.42 66.12 73.39 148.8 221.3 4 46.67 66.52 108.2 149.7 291.7 自由 (モ ー ド は 節 が 対 角 線 ,曲 線 等 存在する) 単純支持 (a/b=1 を 境に m , n の 値 は 逆 になる) - 23 -
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