科目
機械力学・振動工学
章
振動の基礎
図番
06 / 11
内容
シミュレータ・例題3問
機械力学・振動工学 6 / 11

ダンパは、強すぎると戻るのが遅くなる減衰振動

ダンパを足すと、ゆれの止まり方は減衰比 ζ = c/(2√(mk)) で3通りに分かれ、ζ = 1 が境目。ζ = 0.1 なら1往復ごとに振幅は約0.53倍になり、ζ = 2 まで強くすると戻るのに ζ = 1 の約2.4倍の時間がかかる。

段差のすぐ手前まで来た車の前輪の上で、ばねとショックアブソーバが車体を支えている

まず触ってみる

数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。

このページの内容
  1. ゆれは、いつか止まる
  2. ダンパは、速さに比例してブレーキをかける
  3. ゆれるか、ゆれないかの境目
  4. 3通りの止まり方
  5. 1往復ごとに同じ割合で減る
  6. 公式を、2つのかたまりに分けて読む
  7. 強くしすぎると、かえって遅い
  8. どの数字がいちばん効く?
  9. 動かしてみよう
  10. よくある勘違い
  11. この単元で使う前提
  12. 例題

この単元のポイント

  1. ゆれの止まり方は、減衰比 ζ\skrZeta で3通りに分かれる。ζ<1\skrZeta < 1 はゆれながら止まる、ζ=1\skrZeta = 1 がゆれるか・ゆれないかの境目、ζ>1\skrZeta > 1 はゆれずにゆっくり戻る。
  2. ζ\skrZeta が小さいとき、振幅は1往復ごとに同じ割合で減る。ζ=0.1\skrZeta = 0.1 なら、1往復で約 0.53倍。
  3. ダンパを強くしすぎると、かえって遅い。ζ=2\skrZeta = 2 では、戻るまでに ζ=1\skrZeta = 1 の約 2.4倍の時間がかかる。

ゆれは、いつか止まる

ブランコを一度押して、あとは何もしないでいると、ゆれは少しずつ小さくなって、やがて止まります。空気の抵抗や、つり具のこすれが、ゆれのエネルギーを少しずつ熱に変えて、抜いていくからです。

真横から見たブランコ最初のゆれ次のゆれつり合いの位置同じ側へ戻るたびに、ゆれは小さくなる(減り方は、見やすいように大きめに描いた)

機械では、このエネルギーを抜く仕事を、わざと部品にさせることがあります。その部品がダンパです。

車が段差を越えると、車体はばねの上で上下にゆれます。ゆれが続くと、乗っている人は酔いますし、タイヤが路面を押す力が大きく揺れて、ハンドルやブレーキが効きにくくなります。ばねと並べて付けたダンパ(ショックアブソーバ)が、このゆれを早く止めます。

段差を越えた直後の乗用車。車体が上下にゆれている様子を、薄い残像で描いている。前輪のそばに、ばねと筒形のショックアブソーバ
図 6-02段差のあとのゆれを、ショックアブソーバが止めます。

ドアの上に付いたドアクローザも、ダンパです。開けたドアが、バタンと閉まらず、行き過ぎずに静かに閉まります。

蝶番で枠に付き、45度ほど開いた室内のドア。上の端にドアクローザが付き、腕が枠の上につながっている。ドアの開いた下の角の外の床に、蝶番を中心に閉まる向きへ進む青い円弧の矢印がある
図 6-03ドアクローザは、ドアを行き過ぎずに閉めます。

この単元では、1自由度の自由振動(ばねと質量)の単元と同じ、2 kg のおもりと 800 N/m のばねで考えます。ダンパを付けないと、1秒に 3.18 回ゆれ続けました。ここに、ダンパを1本並べます。おもりを 20 mm 引き下げて、静かにはなします。

ゆれは、1往復ごとに、どれだけ小さくなるでしょうか。

予想してから読むこのダンパでは減衰比が ζ=0.1\zeta = 0.1 です。1往復したあと、振幅ははじめの何倍?

ダンパは、速さに比例してブレーキをかける

ダンパの中には油が入っていて、小さな穴のあいたピストンが、その中を動きます。ピストンを動かすと、油が穴を通り抜けるときに、動きを妨げる力が出ます。

筒形のダンパを縦に切った断面。中に油が満たされ、小さな穴のあいたピストンが棒の先に付いている。ピストンを押すと、油が穴を通って反対側へ流れる
図 6-04油が小さな穴を通り抜けるときに、動きを妨げる力が出ます。

注射器の先を指でふさぎかけて押すと、ゆっくり押せば軽く、速く押すと重く感じます。ダンパの力も同じで、速く動かすほど大きくなります。この単元では、力が速さに比例すると考えます。

(ダンパの力)=c×(速さ v)(\text{ダンパの力}) = \skrc \times (\text{速さ } v)

比例の係数 c\skrc が減衰係数で、単位は N·s/m です。速さ 1 m/s で動かしたときに、何 N の力が出るかを表します。

ばねの力は「どれだけずれたか」で決まりました。ダンパの力は「どれだけ速く動いているか」で決まります。止まっているときは、どんなにずれていても、ダンパは力を出しません。

綱引きの言葉で言うと、ばねとおもりの綱引きは、そのまま続きます。ダンパは、そのあいだに、動きのエネルギーを熱に変えて、少しずつ抜いていきます。

ゆれるか、ゆれないかの境目

ダンパを少しずつ強くしていくと、あるところで、おもりは行き過ぎずに戻るようになります。その境目のダンパの強さを、臨界減衰係数 cc\sgsCc といいます。

cc=2m k\sgsCc = 2\sqrt{\skrm\,\skrk}

この式の出どころは、最後の「式の導き方」で見ます。m\skrm と k\skrk の両方が大きいほど、境目のダンパも強くなります。重いおもりは動き続けようとする強さが大きく、硬いばねは強く引き戻すからです。

ダンパの強さ c\skrc を、この境目と比べた数が、減衰比 ζ\skrZeta(ゼータ)です。

ζ=ccc=c2m k\skrZeta = \dfrac{\skrc}{\sgsCc} = \dfrac{\skrc}{2\sqrt{\skrm\,\skrk}}

2 kg のおもりと 800 N/m のばねでは、

cc=22×800=80 N⋅s/m,ζ=880=0.1\sgsCc = 2\sqrt{2 \times 800} = 80\ \mathrm{N\cdot s/m}, \qquad \skrZeta = \dfrac{8}{80} = 0.1

減衰係数 8 N·s/m のダンパは、境目の 10分の1 の強さです。

3通りの止まり方

ばねとおもりは同じまま、ダンパの強さだけを、ζ=0.1\skrZeta = 0.1・1・2 の3つに変えてみます。

00.20.40.60.811.2-20-1001020時間 t [s]変位 x [mm]
━ ζ = 0.1(c = 8)ゆれながら減る━ ζ = 1(c = 80)臨界減衰┅ ζ = 2(c = 160)過減衰
質量 2 kg・ばね定数 800 N/m・はなす位置 20 mm。ダンパの強さ c [N·s/m] だけを変えています。
減衰比 名前 戻り方 例
ζ<1\skrZeta < 1 不足減衰 行き過ぎて、ゆれながら小さくなる ブランコ、ダンパの弱い車
ζ=1\skrZeta = 1 臨界減衰 ゆれずに戻る。行き過ぎないなかで、いちばん速い
ζ>1\skrZeta > 1 過減衰 ゆれずに、ゆっくり戻る 強すぎるドアクローザ(なかなか閉まらない)

ζ=1\skrZeta = 1 を境に、ゆれる・ゆれないが入れ替わります。答えの式の形も、ここで変わります(「式の導き方」)。

1往復ごとに同じ割合で減る

ζ<1\skrZeta < 1 のとき、ゆれの山は、次の線の内側に収まります。この線を包絡線といいます(シミュレータの波形の破線)。

± x01−ζ2  e−ζ ωn t\pm\,\dfrac{x_0}{\sqrt{1-\skrZeta^2}}\;e^{-\skrZeta\,\skrOmegaN\,t}

e−ζωnte^{-\skrZeta\skrOmegaN t} は、時間が一定だけたつごとに、同じ割合で小さくなる量です。だから、1往復ごとに、山の高さは同じ割合で小さくなります。

その割合を出します。1往復の時間は 1/fd1/\sgsFd です。その間に、包絡線は e−δe^{-\sgsDelta} 倍になります。

δ=2π ζ1−ζ2,xn+1/xn=e−δ\sgsDelta = \dfrac{2\pi\,\skrZeta}{\sqrt{1 - \skrZeta^2}}, \qquad \sgsRatio = e^{-\sgsDelta}

δ\sgsDelta を対数減衰率といいます。山と山の比の対数(ln)をとった値だからです。

ζ=0.1\skrZeta = 0.1 を入れます。

δ=2π×0.11−0.12=0.6315,e−0.6315=0.5318\sgsDelta = \dfrac{2\pi \times 0.1}{\sqrt{1 - 0.1^2}} = 0.6315, \qquad e^{-0.6315} = 0.5318

1往復で、振幅は約 0.53倍です。0.9倍(1割減る)ではありません。ζ=0.1\skrZeta = 0.1 は「境目の 10分の1 のダンパ」という意味で、1往復のあいだに、振幅はほぼ半分になります。

同じ割合が続くので、5往復で 0.53185=0.04250.5318^5 = 0.0425、はじめの約 4% です。20 mm だったゆれは、5往復で 0.85 mm ほどになります。

逆に、記録した波形の、となりの山の比から δ\sgsDelta を読めば、ζ\skrZeta が分かります(例題3)。ダンパの強さを測る、ふつうのやり方です。

公式を、2つのかたまりに分けて読む

ζ<1\skrZeta < 1 のときのゆれは、2つの部分の掛け算です。

x(t)=x01−ζ2 e−ζ ωn t⏟振幅の減り方×cos⁡(ωd t−φ)⏟行ったり来たりx(t) = \underbrace{\dfrac{x_0}{\sqrt{1-\skrZeta^2}}\,e^{-\skrZeta\,\skrOmegaN\,t}}_{\text{振幅の減り方}} \times \underbrace{\cos(\sgsOmegaD\,t - \varphi)}_{\text{行ったり来たり}}
  1. 振幅の減り方 ダンパが、ゆれのエネルギーを抜いていく速さです。ζ ωn\skrZeta\,\skrOmegaN が大きいほど、早く小さくなります。2 kg・800 N/m・ζ=0.1\skrZeta = 0.1 では ζωn=2\skrZeta\skrOmegaN = 2 /s で、1秒で e−2=0.135e^{-2} = 0.135 倍です。
  2. 行ったり来たり ばねとおもりの綱引きです。速さは、ダンパが無いときの ωn\skrOmegaN より、少しだけ遅くなります。
ωd=ωn1−ζ2,fd=ωd2π\sgsOmegaD = \skrOmegaN\sqrt{1 - \skrZeta^2}, \qquad \sgsFd = \dfrac{\sgsOmegaD}{2\pi}

ζ=0.1\skrZeta = 0.1 では、3.183 Hz が 3.167 Hz になるだけです(0.5% 遅い)。ダンパは、ゆれの速さはほとんど変えずに、大きさを減らします。

強くしすぎると、かえって遅い

ゆれが、はなした位置の 5% 以内(20 mm なら 1 mm 以内)に収まって、もう出なくなるまでの時間 ts\sgsTs を比べます。

減衰比 ζ\skrZeta 減衰係数 c\skrc [N·s/m] 5% 以内に収まるまで 行き過ぎ
0.1 8 1.45 s 73%(1回目の、反対側への振れ)
0.5 40 0.264 s 16%
0.7 56 0.145 s 4.6%
1 80 0.237 s なし
2 160 0.573 s なし

ζ=2\skrZeta = 2 では、ζ=1\skrZeta = 1 の約 2.4倍の時間がかかります。ダンパが動きを強く妨げるので、ばねがおもりを引き戻すのにも、時間がかかるのです。

表には、もう1つ大事なことが出ています。少しの行き過ぎ(4.6%)を許すなら、ζ=0.7\skrZeta = 0.7 のほうが、ζ=1\skrZeta = 1 より早く収まります。ζ=1\skrZeta = 1 は「行き過ぎないなかで、いちばん速い」強さです。

どの数字がいちばん効く?

ζ=0.1\skrZeta = 0.1 のところから、それぞれの数字を1割(10%)大きくしたときの変化です。

変えるもの 減衰比 ζ\skrZeta 1往復の比
減衰係数 c\skrc を10%大きく +10% 0.532 → 0.499
質量 m\skrm を10%大きく −4.7% 0.532 → 0.548
ばね定数 k\skrk を10%大きく −4.7% 0.532 → 0.548

ダンパそのものの c\skrc が、いちばん効きます。m\skrm と k\skrk は、境目 2mk2\sqrt{\skrm\skrk} の √ の中にあるので、効き目は半分ほどです。同じダンパでも、重い物や硬いばねに付けると、ζ\skrZeta は小さくなります。

つまり、ものを作るときは

ダンパの強さは、c\skrc の数字ではなく、減衰比 ζ\skrZeta で考えます。同じダンパでも、付ける相手の m\skrm と k\skrk で、効き方が変わるからです。

ドアのように行き過ぎてほしくない物は、ζ\skrZeta を1に近づけます。1を大きく超えると、なかなか閉まりません。少しの行き過ぎを許して、早く収めたいときは、ζ\skrZeta を1より少し小さくします。

車では、ゆれを早く止めることのほかに、道の凸凹を車体に伝えないことも要ります。ダンパを強くしすぎると、段差の突き上げを、そのまま車体に伝えてしまいます(くわしくは防振(揺れを床に伝えない)の単元)。

動かしてみよう

ダンパの減衰係数 c\skrc を、8 から 80、160 へと変えて、おもりの戻り方の違いを見てください。波形の破線は包絡線です(ζ<1\skrZeta < 1 のときだけ出ます)。

シミュレータは 1/4 の速さで始めます。図の中の時間で 2.5 秒ごとに、はなした瞬間に戻ります。「いまの図を残して比べる」を押してから c\skrc を変えると、2つの戻り方を重ねて見られます。

シミュレータ数字を変えると、動きと答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. ダンパの減衰係数 c を 80 N·s/m にして、おもりの戻り方を見る(まだ)
  2. c を2倍の 160 N·s/m にして、5% 以内に収まるまでの時間を比べる(まだ)
  3. c を 16 N·s/m(初期値の2倍)にして、1往復したあとの振幅の比を見る(まだ)
kg
N/m
N·s/m
mm
mkcつり合いの位置x単元減衰振動尺度変位 ×2.5減衰比ζ = 0.1戻り方ゆれながら減る
t = 0.00 s
00.511.522.5-40-2002040時間 t [s]変位 x [mm]包絡線
5% 以内に収まるまでの時間は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

ζ=ccc\htmlClass{q-material}{\zeta} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{c}}{\htmlClass{q-material}{c_c}}=880= \dfrac{8}{80}=0.1= 0.1
減衰比
ζ=0.1 \htmlClass{q-material}{\zeta} = 0.1\
臨界減衰係数
cc=80 N⋅s/m\htmlClass{q-material}{c_c} = 80\ \mathrm{N\cdot s/m}
減衰があるときの振動数
fd=3.167 Hz\htmlClass{q-flow}{f_d} = 3.167\ \mathrm{Hz}
対数減衰率
δ=0.631 \htmlClass{q-material}{\delta} = 0.631\
1往復したあとの振幅の比
xn+1/xn=0.532 \htmlClass{q-displacement}{x_{n+1}/x_n} = 0.532\
5% 以内に収まるまでの時間
ts=1.45 s\htmlClass{q-flow}{t_s} = 1.45\ \mathrm{s}
途中の計算(導出)を見る
  1. 固有角振動数(ダンパが無いときの、綱引きの速さ)

    ωn=km=8002=20 rad/s\htmlClass{q-flow}{\omega_n} = \sqrt{\dfrac{\htmlClass{q-material}{k}}{\htmlClass{q-material}{m}}} = \sqrt{\dfrac{800}{2}} = 20\ \mathrm{rad/s}
  2. 臨界減衰係数(ゆれるか、ゆれないかの境目のダンパの強さ)

    cc=2m k=22×800=80 N⋅s/m\htmlClass{q-material}{c_c} = 2\sqrt{\htmlClass{q-material}{m}\,\htmlClass{q-material}{k}} = 2\sqrt{2 \times 800} = 80\ \mathrm{N\cdot s/m}
  3. 減衰比(ζ < 1:ゆれながら減る)

    ζ=ccc=880=0.1\htmlClass{q-material}{\zeta} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{c}}{\htmlClass{q-material}{c_c}} = \dfrac{8}{80} = 0.1
  4. 減衰があるときの振動数(ダンパが無いときより、少しだけ遅い)

    fd=ωn1−ζ22π=20×1−0.122π=3.167 Hz\htmlClass{q-flow}{f_d} = \dfrac{\htmlClass{q-flow}{\omega_n}\sqrt{1 - \htmlClass{q-material}{\zeta}^2}}{2\pi} = \dfrac{20 \times \sqrt{1 - 0.1^2}}{2\pi} = 3.167\ \mathrm{Hz}
  5. 対数減衰率(1往復で、振幅の対数がどれだけ減るか)

    δ=2π ζ1−ζ2=2π×0.11−0.12=0.631\htmlClass{q-material}{\delta} = \dfrac{2\pi\,\htmlClass{q-material}{\zeta}}{\sqrt{1 - \htmlClass{q-material}{\zeta}^2}} = \dfrac{2\pi \times 0.1}{\sqrt{1 - 0.1^2}} = 0.631
  6. 1往復したあとの振幅の比

    xn+1/xn=e−δ=e−0.631=0.532\htmlClass{q-displacement}{x_{n+1}/x_n} = e^{-\htmlClass{q-material}{\delta}} = e^{-0.631} = 0.532
  7. はなした位置の 5% 以内に収まるまでの時間(解の式から、数値で探す)

    ts=∣x(t)∣≤0.05 x0 が続く最初の時刻=1.45 s\htmlClass{q-flow}{t_s} = |x(t)| \le 0.05\,\htmlClass{q-displacement}{x_0}\ \text{が続く最初の時刻} = 1.45\ \mathrm{s}

よくある勘違い

「ζ = 0.1 なら、1往復で1割減る」

ζ\skrZeta は、振幅の比ではありません。「境目のダンパの何倍の強さか」です。1往復の比は e−2πζ/1−ζ2e^{-2\pi\skrZeta/\sqrt{1-\skrZeta^2}} で、ζ=0.1\skrZeta = 0.1 なら約 0.53倍。1往復で半分近くまで減ります。

「ダンパを強くするほど、早く止まる」

強くするほど早いのは、ζ=1\skrZeta = 1 の近くまでです。それより強くすると、ゆれはしませんが、戻るのが遅くなります。ζ=2\skrZeta = 2 で約 2.4倍の時間です。

「減衰係数 c と減衰比 ζ は、同じもの」

量 何を表すか 単位 決めるもの
減衰係数 c\skrc ダンパという部品の強さ(1 m/s で何 N か) N·s/m ダンパだけ
減衰比 ζ\skrZeta ゆれがどう止まるか なし ダンパと、相手の m\skrm・k\skrk の組み合わせ

同じ c=8\skrc = 8 のダンパでも、おもりを 8 kg にすると、境目は 160 N·s/m になり、ζ\skrZeta は 0.05 になります。

この単元で使う前提

  • ダンパの力は、速さに比例する(c v\skrc\,v)。ばねの力は、伸びに比例する
  • 変位は、重さで下がったつり合いの位置から測る
  • おもりを x0x_0 だけずらして、速さ 0 で静かにはなす
  • 外から揺すらない(外から揺すり続けるゆれは、強制振動と共振の単元)
  • シミュレータは、はなしてから(図の中の時間で)2.5 秒ごとに、はなした瞬間に戻してくり返す
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

運動の式:おもりにかかる力は、ばねの −kx-\skrk x と、ダンパの −c dx/dt-\skrc\,dx/dt です。質量 × 加速度 = 力 から、

m d2xdt2+c dxdt+k x=0\skrm\,\dfrac{d^2x}{dt^2} + \skrc\,\dfrac{dx}{dt} + \skrk\,x = 0

答えの形を決める:x=estx = e^{st} と置いて入れると、este^{st} が全部の項にかかるので、割って消えます。

m s2+c s+k=0⇒s=−c±c2−4mk2m\skrm\,s^2 + \skrc\,s + \skrk = 0 \quad\Rightarrow\quad s = \dfrac{-\skrc \pm \sqrt{\skrc^2 - 4\skrm\skrk}}{2\skrm}

境目:√ の中が 0 になるのは、c2=4mk\skrc^2 = 4\skrm\skrk、つまり c=2mk\skrc = 2\sqrt{\skrm\skrk} のときです。これが臨界減衰係数 cc\sgsCc です。ζ=c/cc\skrZeta = \skrc/\sgsCc、ωn=k/m\skrOmegaN = \sqrt{\skrk/\skrm} で書き直すと、

s=ωn(−ζ±ζ2−1)s = \skrOmegaN\left(-\skrZeta \pm \sqrt{\skrZeta^2 - 1}\right)3つの場合:
  • ζ<1\skrZeta < 1:√ の中が負なので、s=−ζωn±i ωds = -\skrZeta\skrOmegaN \pm i\,\sgsOmegaD(ωd=ωn1−ζ2\sgsOmegaD = \skrOmegaN\sqrt{1-\skrZeta^2})。虚数の部分が cos・sin のゆれになり、実数の部分 −ζωn-\skrZeta\skrOmegaN が減り方になります。x(0)=x0x(0) = x_0、速さ 0 から、 x=e−ζωnt(x0cos⁡ωdt+ζωnx0ωdsin⁡ωdt)x = e^{-\skrZeta\skrOmegaN t}\left(x_0\cos\sgsOmegaD t + \dfrac{\skrZeta\skrOmegaN x_0}{\sgsOmegaD}\sin\sgsOmegaD t\right)
  • ζ=1\skrZeta = 1:s=−ωns = -\skrOmegaN の1つだけになります。この場合は t e−ωntt\,e^{-\skrOmegaN t} も答えになるので、 x=x0 (1+ωnt) e−ωntx = x_0\,(1 + \skrOmegaN t)\,e^{-\skrOmegaN t}
  • ζ>1\skrZeta > 1:2つの負の実数 s1,s2s_1, s_2。どちらも指数で減るだけで、ゆれません。 x=x0 (s1es2t−s2es1t)s1−s2x = \dfrac{x_0\,(s_1 e^{s_2 t} - s_2 e^{s_1 t})}{s_1 - s_2}

ζ=1\skrZeta = 1 の前後で、式の形は違っても、グラフはなめらかにつながります(このサイトの検算では、ζ=1±10−5\skrZeta = 1 \pm 10^{-5} の答えが臨界の答えと重なること、3つの式がルンゲクッタ法の数値積分と重なることを確かめています)。

対数減衰率:1往復の時間 2π/ωd2\pi/\sgsOmegaD の間に、e−ζωnte^{-\skrZeta\skrOmegaN t} は e−2πζωn/ωde^{-2\pi\skrZeta\skrOmegaN/\sgsOmegaD} 倍になります。ωn/ωd=1/1−ζ2\skrOmegaN/\sgsOmegaD = 1/\sqrt{1-\skrZeta^2} なので、

δ=2π ζ1−ζ2\sgsDelta = \dfrac{2\pi\,\skrZeta}{\sqrt{1-\skrZeta^2}}

例題

例題1 車の1輪分のばねとダンパ

車の1輪分を、質量 300 kg のおもりと、ばね定数 30,000 N/m のばね、減衰係数 1,800 N·s/m のダンパ(ショックアブソーバ)とみなします。

段差を越えて、車体が上下にゆれ始めました。(1) 減衰比 ζ、(2) 1往復したあとの振幅は、前の何倍か、(3) 減衰があるときの振動数 fdf_d を求めてください。

ヒント 1 / 2

先に臨界減衰係数 cc=2mkc_c = 2\sqrt{mk} を出して、ζ=c/cc\zeta = c/c_c とします。

ヒント 2 / 2

1往復の比は e−δe^{-\delta}、δ=2πζ/1−ζ2\delta = 2\pi\zeta/\sqrt{1-\zeta^2} です。

答えと解き方を見る
(1) ζ=0.3(1)\ \skrZeta = 0.3
(2) xn+1/xn=0.139(2)\ \sgsRatio = 0.139
(3) fd=1.52 Hz(3)\ \sgsFd = 1.52\ \mathrm{Hz}
  1. 固有角振動数(ダンパが無いときの、綱引きの速さ)

    ωn=km=30,000300=10 rad/s\htmlClass{q-flow}{\omega_n} = \sqrt{\dfrac{\htmlClass{q-material}{k}}{\htmlClass{q-material}{m}}} = \sqrt{\dfrac{30{,}000}{300}} = 10\ \mathrm{rad/s}
  2. 臨界減衰係数(ゆれるか、ゆれないかの境目のダンパの強さ)

    cc=2m k=2300×30,000=6,000 N⋅s/m\htmlClass{q-material}{c_c} = 2\sqrt{\htmlClass{q-material}{m}\,\htmlClass{q-material}{k}} = 2\sqrt{300 \times 30{,}000} = 6{,}000\ \mathrm{N\cdot s/m}
  3. 減衰比(ζ < 1:ゆれながら減る)

    ζ=ccc=1,8006,000=0.3\htmlClass{q-material}{\zeta} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{c}}{\htmlClass{q-material}{c_c}} = \dfrac{1{,}800}{6{,}000} = 0.3
  4. 減衰があるときの振動数(ダンパが無いときより、少しだけ遅い)

    fd=ωn1−ζ22π=10×1−0.322π=1.518 Hz\htmlClass{q-flow}{f_d} = \dfrac{\htmlClass{q-flow}{\omega_n}\sqrt{1 - \htmlClass{q-material}{\zeta}^2}}{2\pi} = \dfrac{10 \times \sqrt{1 - 0.3^2}}{2\pi} = 1.518\ \mathrm{Hz}
  5. 対数減衰率(1往復で、振幅の対数がどれだけ減るか)

    δ=2π ζ1−ζ2=2π×0.31−0.32=1.98\htmlClass{q-material}{\delta} = \dfrac{2\pi\,\htmlClass{q-material}{\zeta}}{\sqrt{1 - \htmlClass{q-material}{\zeta}^2}} = \dfrac{2\pi \times 0.3}{\sqrt{1 - 0.3^2}} = 1.98
  6. 1往復したあとの振幅の比

    xn+1/xn=e−δ=e−1.98=0.139\htmlClass{q-displacement}{x_{n+1}/x_n} = e^{-\htmlClass{q-material}{\delta}} = e^{-1.98} = 0.139

臨界減衰係数は 2√(300 × 30,000) = 6,000 N·s/m なので、ζ = 1,800 ÷ 6,000 = 0.3 です。

1往復で振幅は約 0.14倍になり、2往復目にはほとんど見えません。

ダンパが無いときの固有振動数は 1.59 Hz です。ζ = 0.3 でも、振動数は約5%しか下がりません。

例題2 ドアクローザの試験台

ドアクローザのダンパを試す台で、質量 5 kg のおもりを、ばね定数 500 N/m のばねにつなぎ、ダンパを付けます。

(1) おもりをずらしてはなしたとき、行き過ぎずに、いちばん速く戻る減衰係数 c はいくらですか。(2) c をその2倍にすると、はなした位置の 5% 以内に収まるまでの時間は何倍になりますか。

ヒント 1 / 2

「行き過ぎずに、いちばん速く」は、ゆれるか・ゆれないかの境目、ζ=1\zeta = 1 です。

ヒント 2 / 2

cc=2mkc_c = 2\sqrt{mk} に、m=5m = 5・k=500k = 500 を入れます。

答えと解き方を見る
(1) cc=25×500=100 N⋅s/m(1)\ \sgsCc = 2\sqrt{5 \times 500} = 100\ \mathrm{N\cdot s/m}
(2) 1.15 s0.474 s=2.42 倍(2)\ \dfrac{1.15\ \mathrm{s}}{0.474\ \mathrm{s}} = 2.42\ \text{倍}
  1. 固有角振動数(ダンパが無いときの、綱引きの速さ)

    ωn=km=5005=10 rad/s\htmlClass{q-flow}{\omega_n} = \sqrt{\dfrac{\htmlClass{q-material}{k}}{\htmlClass{q-material}{m}}} = \sqrt{\dfrac{500}{5}} = 10\ \mathrm{rad/s}
  2. 臨界減衰係数(ゆれるか、ゆれないかの境目のダンパの強さ)

    cc=2m k=25×500=100 N⋅s/m\htmlClass{q-material}{c_c} = 2\sqrt{\htmlClass{q-material}{m}\,\htmlClass{q-material}{k}} = 2\sqrt{5 \times 500} = 100\ \mathrm{N\cdot s/m}
  3. 減衰比(ζ = 1:臨界減衰。ゆれずに戻る境目)

    ζ=ccc=100100=1\htmlClass{q-material}{\zeta} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{c}}{\htmlClass{q-material}{c_c}} = \dfrac{100}{100} = 1

行き過ぎずに、いちばん速く戻るのは、ζ = 1(臨界減衰)のときです。

c を2倍にすると ζ = 2 です。ゆれはしませんが、戻るのに約2.4倍の時間がかかります。ダンパを強くするほど速く閉まる、とはなりません。

この倍率は、m と k によらず、ζ だけで決まります(本文の表と同じ 2.4倍)。

例題3 記録から減衰を読む

質量 2 kg・ばね定数 800 N/m のおもりにダンパを付けて、ゆれを記録しました。ある山の高さが 10 mm、1往復あとの山が 6.0 mm でした。

(1) 対数減衰率 δ、(2) 減衰比 ζ、(3) ダンパの減衰係数 c を求めてください。

ヒント 1 / 2

1往復の比が e−δe^{-\delta} なので、δ=ln⁡(10/6.0)\delta = \ln(10/6.0) です。

ヒント 2 / 2

δ=2πζ/1−ζ2\delta = 2\pi\zeta/\sqrt{1-\zeta^2} を ζ\zeta について解きます。

答えと解き方を見る
(1) δ=ln⁡106.0=0.5108(1)\ \sgsDelta = \ln\dfrac{10}{6.0} = 0.5108
(2) ζ=δ4π2+δ2=0.081(2)\ \skrZeta = \dfrac{\sgsDelta}{\sqrt{4\pi^2 + \sgsDelta^2}} = 0.081
(3) c=ζ×2m k=6.48 N⋅s/m(3)\ \skrc = \skrZeta \times 2\sqrt{\skrm\,\skrk} = 6.48\ \mathrm{N\cdot s/m}

山と山の比の対数をとると、δ が出ます。δ = 2πζ/√(1 − ζ²) を ζ について解くと、ζ = δ/√(4π² + δ²) です。

ζ が小さいときは、ζ ≒ δ/(2π) = 0.0813 でも、ほぼ同じです。

臨界減衰係数は 2√(2 × 800) = 80 N·s/m なので、c = 0.0810 × 80 ≒ 6.48 N·s/m です。