重量が$2\,\rm{kN}$の機械を載せたら自然長$400\,\rm{mm}$の弾性支持ばねの主軸長さが$150\,\rm{mm}$になった.
$(1)$
ばね定数を求めよ.
$(2)$
運動方程式に基づいて固有振動数を求めよ.
解答例・解説
$(1)$
ばねの静的たわみは
\[
\delta=l_0-l_x
= 0.40\,\rm{m}-0.15\,\rm{m} = 0.25\,\rm{m}
\]
ばねこわさの定義(単位長さ伸縮させるために必要な力)より
\[
k = \frac{w}{\delta}= \frac{2000\,\rm{N}}{0.25\,\rm{m}} = 8000\,\rm{N/m}= 8\,\rm{kN/m}
\]
$(2)$
質量は
\[
m =\frac{ 2000\,\rm{N}}{9.81\,\rm{m/s^2}} = \frac{2000\,\rm{kg\cdot m/s^2}} {9.81\,\rm{m/s^2}} = 203.8\,\rm{kg}
\]
物体が$y$軸方向に直線運動しており,時刻$t$で加速度$\ddot{x}$を得るためには,質量$m$に動的力が作用している.
そのとき変位$x$ならば,ばねの復元力は$-kx$ゆえ,運動方程式は,
\[
m\ddot{x} =-kx\\
m\ddot{x} +kx =0\\
\ddot{x} +\left(\frac{k}{m}\right)x =0\\
\ddot{x}+\omega_n^2 x =0
\]
固有角振動数は
\[\begin{align}
\omega_n=\sqrt{\frac{k}{m}}
&=\sqrt{\frac{8000\,\rm{N/m}}{203.8\,\rm{kg}}}\\
&=\sqrt{\frac{8000 \,\rm{\left(kg\cdot m/s^2 \right)/m}}{203.8\,\rm{kg}}} \\
&=\sqrt{39.25\,\rm{1/s^2}} \\
&= 6.265\,\rm{rad/s}\\
&= 6.27\,\rm{rad/s}
\end{align}\]
固有振動数$f_n$は
\[
f_n =\frac{\omega_n}{2\pi} = \frac{6.265\,\rm{rad/s}}{2\pi\,\rm{rad}} =0.9971\,\rm{Hz}= 0.997 \,\rm{Hz}
\]
$(2)$別解
\[
(1)より \
\delta=\frac{w}{k}=\frac{mg}{k}
\]
\[\begin{align}
\omega_n
&=\sqrt{\frac{k}{m}}\\
&=\sqrt{\frac{g}{\delta}}\\
&=\sqrt{\frac{9.81\,\rm{m/s^2}}{0.25\,\rm{m}}} \\
&=\sqrt{39.24\,\rm{m/s^2}} \\
&=6.264\,\rm{rad/s}
\end{align}\]
静的知識を混同して勘違いする例が多いので,この考え方は使わないこと.