教科書(物理基礎) 思考学習:共振・共鳴

解法

直感的理解

ブランコを漕ぐとき、ブランコの固有振動数と同じタイミングで力を加えると大きく揺れます。これが共振(共鳴)です。スライダーで外力の振動数を変え、振幅の変化を観察しましょう。

固有振動数 2.0 Hz の振り子に外力を加える場合。外力 2.0 Hz で振幅最大(共振)、外力 1.0 Hz や 3.0 Hz では振幅は小さくなります。

$$ f_{\text{外力}} = f_{\text{固有}} \quad \Rightarrow \quad \text{共振(振幅最大)} $$ $$ A \propto \frac{1}{\sqrt{(f_0^2 - f^2)^2 + (\gamma f)^2}} $$ $$ f_0 = 2.0\,\text{Hz のとき、} f = 2.0\,\text{Hz で共振} $$
答え:共振は固有振動数 f₀ = 2.0 Hz と同じ振動数の外力で振幅が最大になる現象。
補足:共振の危険性と応用

1940年のタコマ橋崩壊は風の渦が橋の固有振動数と一致して共振が起きた例です。一方、MRIや電子レンジなど共振を利用した技術も多くあります。

Point

共振は日常生活でも重要です。建物の固有振動数と地震波の振動数が一致すると被害が大きくなります。音叉の共鳴も同じ原理です。