連成振動子れんせいしんどうしシミュレータ

5つのおもりがばねでつながっていて、左端をモーターが揺すっています。 モーターの振動数をゆっくり変えていくと、ある特定の振動数のところだけ 大きく揺れる瞬間が5回あらわれます。それが「固有振動モード」です。

運動方程式(i番目のおもり) 両どなりのばねから受ける力+摩擦(減衰) m d²ui/dt² = k(ui+1−ui) − k(ui−ui−1) − c dui/dt
固有振動数(n = 1〜5) おもりが5個の鎖に固有の共振周波数 ωn = 2√(k/m) · sin(nπ/12)

▶ やってみよう

操作パネル

0.37 Hz
端からゆっくり動かして共振を探そう
0.030 m
20.0 N/m
1.00 kg
0.25 kg/s
切ると、共振したときに振幅が増え続けるよ
経過時間0.00 s
モーター振動数0.00 Hz
最も近い固有振動
振動数の比 f / fn
現在ゆれているモード

変位グラフ

直近15秒 · 5個のおもりそれぞれの変位

モード分解

どの固有振動モードで揺れているか(RMS振幅)

なぜ5つのモードが現れるの?

おもりが5個、ばねで一列につながっていて、両端は動かない壁とみなせます (左端はモーターが押し引きする「境界条件」、右端は固定壁)。 このような鎖には、ちょうどおもりの数だけ「固有振動モード」— 鎖全体が きれいな1つのパターンで揺れ続けられる特別な振動数 — が存在します。 モーターの振動数をその固有振動数のどれかに合わせると、共振が起きて 振幅が大きく育ちます。

各モードの「形」は φn(i) = sin(nπi/6) という式で決まります(i = 1〜5 はおもりの番号)。左右どちらの端も同じ「壁」なので、 鎖のちょうど真ん中(3番目のおもり)を軸にした鏡映対称があり、n が偶数のモードは 真ん中のおもりが完全に静止したまま両側だけが逆向きに揺れます。

モード n形の特徴
15個全部が同じ向きに、いちばん大きく揺れる
2真ん中(3番目)のおもりは止まったまま、左半分と右半分が逆向きに揺れる
33つのかたまりに分かれて向きが入れ替わる
4真ん中のおもりはまた止まったまま、さらに細かく向きが入れ替わる
5隣りあうおもりが1個ごとに逆向きに揺れる
もっと詳しく知りたい人へ(固有振動数の導出)

質量 m のおもり5個が、ばね定数 k のばね6本(境界の壁2枚を含む)で 等間隔につながれた鎖のモード方程式を解くと、固有振動数は ωn = 2√(k/m) · sin(nπ/(2(N+1))) (N = 5)という形になります。この式はN個の原子が鎖状に並んだ結晶モデル (1次元フォノン)でも使われる、とても基本的な結果です。 右の「モード分解」グラフは、各おもりの変位 ui(t) を cn(t) = (2/6) Σ ui(t) sin(nπi/6) で射影し、そのRMS(実効値)を棒の高さとして表示しています。