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振動・減衰・強制振動・共振

上下の指数包絡線の間で振幅が小さくなる減衰振動の波形
減衰があると振幅は時間とともに小さくなります。破線は振幅を包む指数関数を示します。

変位 y(t)y(t) を平衡位置から測ります。フックの法則の復元力は −ky-ky、速度比例の減衰力は −cy′-cy'。ニュートンの法則から my′′+cy′+ky=F(t),m>0,c≥0,k>0.my''+cy'+ky=F(t),\qquad m>0, c\ge0, k>0. mm は質量、cc は減衰係数、kk はばね定数、FF は外力です。各項の単位は力で一致します。

F=0,c=0F=0,c=0 なら固有角振動数 ω0=km\omega_0=\sqrt{\frac{k}{m}} で y=Acos⁡ω0t+Bsin⁡ω0t=Rcos⁡(ω0t−ϕ).y=A\cos\omega_0t+B\sin\omega_0t=R\cos(\omega_0t-\phi). RR が振幅、ϕ\phi が位相です。通常の周波数は f0=ω02πf_0=\frac{\omega_0}{2\pi}。エネルギー E=my′22+ky22E=\frac{my'^2}{2}+\frac{ky^2}{2} は無減衰なら一定です。

周期外力 F0cos⁡ωtF_0\cos\omega t に対し、解は同次解(過渡応答)と特殊解(定常応答)の和です。c>0c>0 の非共鳴定常振幅は A(ω)=F0(k−mω2)2+c2ω2.A(\omega)=\frac{F_0}{\sqrt{(k-m\omega^2)^2+c^2\omega^2}}. 減衰がある場合、振幅最大の角振動数は一般に ω0\omega_0 と一致せず、十分強い減衰では明瞭なピークがない場合もあります。

Q基本:無減衰自由振動★☆☆
2y′′+8y=0,y(0)=3,y′(0)=02y''+8y=0, y(0)=3,y'(0)=0 を解いてください。
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ω0=2\omega_0=2。
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y=3cos⁡2ty=3\cos2t。代入すると 2(−12cos⁡2t)+8(3cos⁡2t)=02(-12\cos2t)+8(3\cos2t)=0。
Q標準:減衰分類★★☆
y′′+6y′+8y=0y''+6y'+8y=0 を分類し一般解を求めてください。
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Δ=36−32\Delta=36-32。
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Δ>0\Delta>0 なので過減衰。根は −2,−4-2,-4、y=C1e−2t+C2e−4ty=C_1e^{-2t}+C_2e^{-4t}。
Q発展:共振初期値問題★★★
y′′+4y=cos⁡2t,y(0)=0,y′(0)=0y''+4y=\cos2t, y(0)=0,y'(0)=0 を解いてください。
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yp=(t4)sin⁡2ty_p=(\frac{t}{4})\sin2t。
ANS解答を見る
yh=C1cos⁡2t+C2sin⁡2ty_h=C_1\cos2t+C_2\sin2t。初期条件から C1=C2=0C_1=C_2=0。よって y=(t4)sin⁡2ty=(\frac{t}{4})\sin2t。二階微分との和 4y4y を計算すると cos⁡2t\cos2t。