- 科目
- 機械力学・振動工学
- 章
- 振動の基礎
- 図番
- 04 / 11
- 内容
- シミュレータ・例題3問
板も軸も、じつは1本のばねばねのつなぎ方と、はり・軸のばね定数
並べたばねは足し算、縦につないだばねは逆数の足し算。片持ちの板は k = 3EI/L³ のばねで、2倍長くするとばね定数は8分の1、先のモータの振動数は約2.8分の1になる。

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
この単元のポイント
- ばねを並べてつなぐと、ばね定数は足し算。縦につなぐと、逆数の足し算で、柔らかいばねより柔らかくなる。
- 片持ちの板は、ばね定数 のばね。板を2倍長くすると、ばね定数は8分の1、振動数は約2.8分の1。
- 同じ板でも、両端で支えて真ん中に付けると、ばね定数は片持ちの16倍、振動数は4倍。
板の先のモータは、何回ゆれる?
機械の中では、小さなモータやセンサを、薄い金属の板の先に付けることがよくあります。板の根元だけをねじで留め、先は空中に出ています。

指で板の先をはじくと、モータは上下にゆれます。コイルばねは、どこにもありません。曲がる板そのものが、ばねになっています。
このゆれが速すぎても遅すぎても、困ることがあります。センサなら、ゆれている間は正しく測れません。モータなら、回る速さとゆれの速さが近いと、ゆれが大きくなります(くわしくは 強制振動と共振)。だから、作る前に「何回ゆれるか」を知りたいのです。
この単元では、1つの板とモータで考えます。鋼の板は、幅 30 mm、厚さ 3 mm で、壁から 150 mm 突き出しています。先に、質量 0.5 kg のモータを付けます。
モータは、1秒に何回ゆれるでしょうか。
予想してから読む板を2倍長くすると、モータが1秒にゆれる回数は?
板は、ばね定数 3EI/L³ のばね
たわみの式を、ばねの式に直す
材料力学の 片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重) で、先に荷重 をかけた片持ちばりの、先端のたわみを出しました。
ばね定数は「1 だけ動かすのに要る力」、つまり 力 ÷ 動いた量 です。両辺を入れかえて、 を で割ります。
が消えました。荷重を何 N かけても、力と下がり方の比は同じです。だから、板を1本のばねとして扱えます。
3つのかたまりに分けて読む
- 支え方 3 片持ちで、先端に付けたときの数です。たわみの式の 3 が、そのまま来ています。支え方を変えると、この数が変わります(下の表)。
- 曲がりにくさ 材料の硬さ と、断面の形の曲がりにくさ の掛け算(曲げ剛性)です。分子にあるので、大きいほど硬いばねです。
- 長さで柔らかくなる 板が長いと、根元を曲げる力が大きくなり、しかも先端で大きくずれます。合わせて3乗です。
数で確かめる
まず、板の断面二次モーメントです。
ばね定数は、長さを mm で入れると N/mm で出ます。1 m は 1,000 mm なので、1,000 倍して N/m に直します。
1自由度の自由振動(ばねと質量) の固有振動数の式に入れます。綱引きの、戻そうとする側が板、動き続けようとする側がモータです。
答えは、1秒に 25.0 回です。
自重で下がる量からも、確かめられます。モータの重さで、先端は 、つまり 0.397 mm 下がります。
長さを2倍にすると
板を2倍の 300 mm にします。ばね定数は に反比例するので、 で割ります。
振動数は、ばね定数の √ で効きます。
長さを2倍にすると、振動数は約2.8分の1です。

机の端に定規を押さえて、先をはじいてみてください。はみ出させる長さを短くするほど、ゆれは速くなり、「ビーン」という音も高くなります。長くすると、ゆっくり大きくゆれます。
支え方で、ばね定数は変わる
同じ板でも、どう支えて、どこにモータを付けるかで、ばね定数が変わります。材料力学で出した式を、力 ÷ 動いた量 に直すと、次のようになります。
| 支え方 | ばね定数 | 同じ板(150 mm)では | 片持ちとの比 |
|---|---|---|---|
| 片持ち・先端に付ける(片持ちばりのたわみ) | 12,360 N/m | 1 | |
| 両端で支え、真ん中に付ける(単純支持ばりのたわみ) | 197,760 N/m | 16倍 | |
| 板の長さの向きに引っぱる(フックの法則) | 123,600,000 N/m | 10,000倍 |
両端で支えると、ばね定数は16倍です。振動数は √16 = 4倍の、100 Hz になります。真ん中から片側を見ると、長さが半分の片持ちばりが、荷重の半分を受ける形になるからです。荷重が半分で2倍、長さが半分で 2³ = 8倍、合わせて 2 × 8 = 16倍です(単純支持ばりのたわみの単元で見た、48 = 3 × 2 × 8 の出どころ)。
板を長さの向きに引っぱるときは、断面積 を使います。曲げるときの1万倍も硬いばねです。同じ板でも、曲げる向きには、とても柔らかいのです。
軸をねじる向きにも、ばね定数があります。材料力学の 丸軸のねじり の式を、ねじる力の効き目 ÷ ねじれた角度 に直したものです。回る物のゆれで使うので、ねじり振動(回る物の揺れ) で見ます。
ばねのつなぎ方
1つの物を、2つのばねで支えることもあります。つなぎ方は2通りです。
並べてつなぐ(並列)は、足し算
同じ板を2枚、横に並べて、先に1つのモータを載せます。モータが 1 mm 下がると、2枚の板は、どちらも 1 mm 下がります。
動く量は同じで、力を2枚で分けて受けます。だから、同じだけ下げるのに要る力は、2枚の力の足し算です。
同じ板2枚なら、12,360 + 12,360 = 24,720 N/m で、2倍です。振動数は √2 倍の 35.4 Hz になります。

マットレスの中のばねも、並列です。並ぶばねが多いほど、同じ重さで沈む量は小さくなります。
縦につなぐ(直列)は、逆数の足し算
今度は、板の先にコイルばねを1つはさんで、その下にモータをつるします。モータを引くと、同じ力が、コイルばねにも板にもかかります。
力は同じで、動く量を2つで足します。1 N あたりに動く量(ばね定数の逆数)を、足し算します。
板と同じばね定数 12,360 N/m のコイルばねをはさむと、 で、 N/m です。半分の硬さになり、振動数は 25.0 Hz の 倍の 17.7 Hz です。
直列にすると、どちらのばねよりも柔らかくなります。硬いばねと柔らかいばねを直列にすると、全体は柔らかいばねより、さらに少し柔らかくなります。

車体は、サスペンションのばねの上に載り、そのばねは、空気の入ったタイヤの上に載っています。タイヤも、ばねです。この2つは、直列のばねです(例題2)。
どの数字がいちばん効く?
板とモータの数字を1割(10%)だけ変えたとき、ばね定数と振動数がどう変わるかを並べてみます。
| 変えるもの | ばね定数の変化 | 振動数の変化 | 理由 |
|---|---|---|---|
| 板の長さ を10%長く | −24.9% | −13.3% | ばね定数は3乗で効く(1/1.1³ ≒ 0.751) |
| 板の厚さ を10%厚く | +33.1% | +15.4% | が厚さの3乗で決まる(1.1³ ≒ 1.331) |
| 板の幅 を10%広く | +10% | +4.9% | 1乗 |
| モータの質量 を10%大きく | 0% | −4.7% | ばね定数は変わらない |
長さと厚さは、幅や質量の約3倍効きます。ばね定数の変化が √ で弱まって、振動数に出ます。
つまり、ものを作るときは
板の先の物のゆれを速くしたい(固有振動数を高くしたい)なら、まず板を短くします。次に板を厚くします。幅を広げたり、板を何枚も並べたりするのは、その次の手です。
付け方を変えられるなら、両端で支えるだけで16倍硬くなります。反対に、ゆれをゆっくりにしたいときは、柔らかいばねを直列にはさみます。
動かしてみよう
板の長さ のスライダーを右へ動かして、ゆれがどれだけゆっくりになるか見てください。次に、厚さ を変えてください。つなぎ方を「並列」「直列」に切り替えて枚数 を変えると、足し算と逆数の足し算の違いが見えます。
最後に、支え方を「両端支持(真ん中)」に切り替えてください。同じ板・同じ長さのまま、振動数は 25.0 Hz から 100 Hz になります。
ゆれは速いので、はじめは 1/20 の速さで動かしています。変位は、板の長さの縮尺の20倍に拡大して描いています。「いまの図を残して比べる」を押すと、残した図の波形が薄く重なります。
試してみよう0 / 3
- つなぎ方を「並列」にして、次に「直列」に切り替える。結果の欄のばね定数を見る(まだ)
- 「1枚」に戻し、板の長さ L を2倍の 300 mm にする。波形の山の間隔を、薄い初期値の波形と比べる(まだ)
- 長さを 150 mm に戻し、支え方を「両端支持(真ん中)」に切り替える(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 断面二次モーメント
- ばね定数
- 固有振動数
- 固有角振動数
- 静たわみ(自重で下がる量)
途中の計算(導出)を見る
板の断面二次モーメント(長方形)
板1枚のばね定数(片持ち・先端)
全体のばね定数(板1枚)
固有振動数
静たわみ(モータの自重で先端が下がる量)
よくある勘違い
「板を2枚重ねれば、厚さ2倍の板と同じ」
重ねただけの2枚と、厚さ2倍の1枚は、まったく違います。
| 作り方 | ばね定数 | 振動数 |
|---|---|---|
| 厚さ 3 mm の板を、2枚重ねる(くっつけない) | 2倍(24,720 N/m) | √2 倍(35.4 Hz) |
| 厚さ 6 mm の板を、1枚 | 8倍(98,880 N/m) | 2.83 倍(70.8 Hz) |
重ねただけの2枚は、曲げると、合わさった面がすべります。1枚ずつが、それぞれの真ん中を中立軸にして曲がるので、並列の2枚と同じです。くっつけた1枚では、中立軸が全体の真ん中に1本だけになり、外側の材料がよく効きます(断面二次モーメント)。

トラックなどに使われる重ね板ばねは、このすべりを使っています。板を重ねて、強さを持たせながら、柔らかいばねにしています。
「ばねを縦につなぐと、硬くなる」
反対です。縦につなぐと、同じ力で、それぞれのばねが伸びます。伸びが足し算になるので、全体は柔らかくなります。
「ばね定数と、材料の硬さ は、同じもの」
は材料の性質です。鋼なら、どんな形でも 206 GPa です。ばね定数 は、材料の硬さに、形・長さ・支え方を合わせたものです。同じ鋼の板でも、上の表のように、支え方で1万倍も違います。
この公式が使える条件
- 板の質量は、モータに比べて十分小さい。この単元の板は、7,850 kg/m³ × 30 mm × 3 mm × 150 mm で、0.106 kg です。モータ 0.5 kg の約5分の1です
- 板のたわみは小さい。荷重を外すと元に戻る範囲(弾性の範囲)
- 板の根元は、壁に完全に固定されている(ねじの部分がゆるまない・しならない)
- モータは、板の先端の1点にある質量として扱う。ゆれを弱めるもの(ダンパ)は考えない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
並列:2つのばねが、同じだけ 動きます。力は と で、合わせて
直列:2つのばねに、同じ力 がかかります。伸びは と で、合わせて
2つのときは、 とも書けます。
単純支持の 48:両端で支えた長さ の板の真ん中に をかけると、たわみは でした。真ん中から片側だけを見ると、長さ の片持ちばりの先に がかかった形です。
同じ長さの片持ちと比べると、長さが半分で 8倍、荷重が半分ずつで 2倍、合わせて 16倍です。
板の質量を少しだけ考える:板の質量 を、先端の質量に換算すると です(板がたわみの形のままゆれるとして、運動のエネルギーを足し合わせた値)。この単元の板なら 0.236 × 0.106 = 0.025 kg で、モータに足すと振動数は約 2.4% 下がります。
例題
例題1 センサを載せた板
幅 20 mm、厚さ 2 mm の鋼の板が、機械の側面から 100 mm 突き出しています。板の先に、質量 0.2 kg のセンサを載せます。鋼の縦弾性係数は 206 GPa、板の質量は考えません。
(1) 板のばね定数はいくらですか。(2) センサが上下にゆれる固有振動数はいくらですか。(3) センサの自重で、板の先は何 mm 下がりますか。
ヒント 1 / 2
まず 、次に片持ちのばね定数 を出します。
ヒント 2 / 2
です。
答えと解き方を見る
板の断面二次モーメント(長方形)
板1枚のばね定数(片持ち・先端)
全体のばね定数(板1枚)
固有振動数
静たわみ(モータの自重で先端が下がる量)
断面二次モーメントは 20 × 2³ ÷ 12 = 13.33 mm⁴ です。長さを mm で入れたばね定数は N/mm で出るので、1,000 倍して N/m に直します。
自重で 0.238 mm 下がることから、15.76 ÷ √0.238 ≒ 32.3 Hz と出しても同じです。
例題2 タイヤも、ばね
車輪1つが支える車体の質量を 250 kg、その車輪のサスペンションのばね定数を 25,000 N/m、タイヤのばね定数を 200,000 N/m とします(数は仮に決めたもの)。車体は、サスペンションのばねとタイヤに、縦に載っています。
(1) 2つを合わせたばね定数はいくらですか。(2) 車体の上下のゆれの固有振動数はいくらですか。タイヤを考えないときと比べてください。
ヒント 1 / 2
縦に載っているので直列です。 を使います。
ヒント 2 / 2
です。
答えと解き方を見る
直列なので、合わせたばね定数は、柔らかいほう(25,000 N/m)より、さらに小さくなります。
タイヤは 8倍硬いので、効き目は小さく、振動数は 1.59 Hz から 1.5 Hz に下がるだけです。
例題3 両端で支えた板の上のポンプ
長さ 600 mm、幅 100 mm、厚さ 10 mm の鋼の板を、両端で支えます。板の真ん中に、質量 40 kg のポンプを載せます。鋼の縦弾性係数は 206 GPa、板の質量は考えません。
(1) ポンプが上下にゆれる固有振動数はいくらですか。(2) 同じ板の片方の端だけを固定し、反対の端にポンプを載せたら、固有振動数は何 Hz になりますか。
ヒント 1 / 2
両端で支えて真ん中に載せるので、 です。
ヒント 2 / 2
です。
答えと解き方を見る
断面二次モーメントは 100 × 10³ ÷ 12 = 8,333 mm⁴ です。
片持ちにすると、ばね定数は 48 ÷ 3 = 16 分の1、振動数は √16 = 4 分の1になります。