固有振動・共振と共鳴とは

物理基礎の波動の分野も終わりに近づいてきました。
固有振動について理解することができれば、波動の分野も終了です。

固有振動とは一体何なのか、今回もわかりやすく簡単に解説をしていきます。

固有振動とは

固有振動とは、物体固有の揺れやすい振動のことです。
スマホや机を叩くと常に同じ音が鳴ります。ブランコは誰が乗っても速さが変わらないですし(理論上は…)、同じように楽器を鳴らせば何度でも同じ音を鳴らすことができます。同じように叩けば、拍手の音はいつも同じ音になるはずです。

このように、物体は物体特有の揺れやすい振動というものを持っており、そのことを固有振動と呼びます。また、そのときの振動数のことを固有振動といいます。

固有振動というものを使って、楽器の音が鳴る仕組みを理解していこうという内容が、物理基礎の波動の最後に勉強する内容です。

共振・共鳴とは

共振とは、物体に固有振動数と同じ振動を与えたとき大きく振動することをいいます。
なお、音の場合は共鳴といいます。

共鳴箱に付けた音叉を叩くとことで、音叉は大きな音を出します。
このとき、共鳴箱に付けた同じ音叉をもう1つ用意しておくと、もう片方の音叉も音を出していることが分かります。

音とは空気の振動が伝わることですが、よっぽど大きな音でない限り、空気が揺れているということを身体で感じることはありません。
少なくとも、叩かれるよりは振動が小さいはずです。

しかし、固有振動で振動させると、音のような小さな振動でも音叉から音が出るくらいには大きく揺らすことができます。

上図のように、紙の上にアルミ缶を乗せます。
このとき、アルミ缶とアルミ缶はテープ等でくっつけているとします。

アルミ缶の下に敷いてある紙を揺らすと、オレンジ色の方のアルミ缶が先に倒れるような気がしますよね。

実は、紙の揺らし方を変えることで、青色のアルミ缶を先に倒すこともできますし、オレンジ色のアルミ缶を先に倒すこともできます。

同じ素材でできている物体でも、大きさによって固有振動数は変化します。
物体の大きさに合う固有振動数で紙を揺らすことにより、固有振動の合う方のアルミ缶が先に倒れるのです。

建物にも固有振動があります。
風や地震の振動数に合わないよう、工夫されて造られています。

まとめ

物体には必ず「固有振動」というものが存在しています。
物体を大きく振動させなくても、固有振動数で揺らすことで、小さな揺らしても大きく振動させることが可能です。これを共振・共鳴といいます。

 

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