この回は、ブランコを思い浮かべると入りやすいです。ブランコは真ん中に戻ってきた瞬間、そこで止まりません。真ん中は一番自然な位置なのに、そのまま反対側へ行き過ぎます。なぜでしょうか。这一节可以从秋千想起。秋千回到正中间时,并不会停在那里。明明中间是最自然的位置,它却会继续冲到另一边。为什么?
答えは二つです。一つは、ずれたものを元へ戻す力、つまり復元力です。ばねならフックの法則で、ずれxに比例し、向きは反対になります。もう一つは慣性です。真ん中へ戻ってきた時、物体には速度があるので、そこで急に止まれず通り過ぎます。答案有两个:一个是把偏离的东西拉回来的力,也就是复元力。弹簧中这就是胡克定律,力与位移x成正比,方向相反。另一个是惯性。物体回到中间时已经有速度,所以不会突然停下,而会冲过去。
左へずれると右向きの復元力が働く。右へずれると左向きの復元力が働く。真ん中に戻るたびに速度を持っているので、また反対側へ行く。この組み合わせが、釣り合い位置の周りの往復運動、つまり単振動です。向左偏时,复元力向右;向右偏时,复元力向左。每次回到中间时它都有速度,于是又冲到另一边。这个组合形成了围绕平衡位置的往复运动,也就是简谐振动。
式では、加速度が変位に比例し、向きが反対になる形を見ます。xを2回時間で微分したものが、-ω²xになる形です。この形になれば、その運動は単振動として扱えます。解はsinやcosで書けて、振幅、角振動数、初期位相を初期条件から決めます。用公式看,就是加速度与位移成正比、方向相反。x对时间二次微分后变成-ω²x。如果运动方程变成这种标准形,就可以把它当作简谐振动。解可写成sin或cos,振幅、角振动数、初相由初始条件决定。
ばね振動ではω=√(k/m)、周期はT=2π√(m/k)になります。質量mが大きいほど動きにくく、周期は長くなる。ばね定数kが大きいほど戻す力が強く、周期は短くなる。ここで大事なのは、理想的なばね振動では周期が振幅によらないことです。弹簧振动中ω=√(k/m),周期T=2π√(m/k)。质量m越大越不容易动,周期越长;弹簧常数k越大,拉回来的力越强,周期越短。重点是,理想弹簧振动的周期不依赖振幅。
単振り子では、重力を接線方向に分解します。戻す力はmg sinθですが、角度が小さいときはsinθ≈θと近似できる。すると単振動の標準形になり、周期はT=2π√(L/g)になります。小さく揺れるなら、周期は主に紐の長さで決まります。单摆中,要把重力分解到切线方向。回复力是mg sinθ,但角度很小时sinθ≈θ,于是也变成简谐振动标准形,周期T=2π√(L/g)。小角度摆动时,周期主要由绳长决定。
1. 復元力と慣性 1. 复元力与惯性
単振動は、ずれた物体を釣り合い位置へ戻す復元力と、釣り合い位置を通り過ぎる慣性の組み合わせで生じる。左へずれると右向き、右へずれると左向きに力が働くが、中心へ戻った瞬間には速度があるため、そこで止まらず反対側へ進む。简谐振动由把偏离物体拉回平衡位置的复元力和越过平衡位置的惯性共同产生。向左偏时力向右,向右偏时力向左;但回到中心时有速度,所以不会停下,而会继续到另一侧。
2. 標準形 2. 标准形
x'' = -ω²x運動方程式を立て、加速度を変位で表した時にこの形になれば、その運動は単振動である。負号は「変位と反対向きに戻す」ことを意味する。解は A sin(ωt+φ) または A cos(ωt+φ) で書ける。列出运动方程并把加速度写成位移的形式时,如果成为这个形状,就是简谐振动。负号表示“向位移反方向拉回”。解可写成A sin(ωt+φ)或A cos(ωt+φ)。
3. ばね振動 3. 弹簧振动
F=-kx, mx''=-kx, ω=√(k/m), T=2π√(m/k)質量mが大きいと慣性が大きく、周期は長くなる。ばね定数kが大きいと戻す力が強く、周期は短くなる。理想的なばね振動では、振幅を大きくしても小さくしても周期は変わらない。质量m越大惯性越大,周期越长;弹簧常数k越大,拉回力越强,周期越短。理想弹簧振动中,振幅大小不改变周期。
4. 単振り子 4. 单摆
θ'' = -(g/L)θ, T=2π√(L/g)単振り子では、重力の接線方向成分 mg sinθ が戻す役割を持つ。角度が小さい時だけ sinθ≈θ と近似でき、この時に単振動の標準形になる。したがって小さい揺れなら、周期は質量ではなく主にひもの長さLで決まる。单摆中,重力切线方向分量mg sinθ起到拉回作用。只有角度很小时可近似sinθ≈θ,这时才成为简谐振动标准形。因此小幅摆动中,周期主要由绳长L决定,而不是质量。