プリンキピア

第15章振動

Equations of SHM単振動の運動の式

Consider a block attached to a spring on a frictionless table (Figure 15.4). The equilibrium position (the position where the spring is neither stretched nor compressed) is marked as x=0. At the equilibrium position, the net force is zero.
英語のヒント
摩擦のない台の上で、ばねにつながれたブロックを考える(図15.4)。ばねが伸びも縮みもしていないつり合いの位置をx=0とする。この位置で合力はゼロである。
ブロックを水平なばねにつなぎ、摩擦のない台に置く。ばねが伸びも縮みもしていないつり合いの位置をx=0とする。ブロックの左側をx=−A、右側へ同じ距離の位置をx=+Aと表示する。

OpenStax / Rice University, University Physics Volume 1, CC BY 4.0. Source-book artwork retained. · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 15.4図 15.4
A block is attached to a spring and placed on a frictionless table. The equilibrium position, where the spring is neither extended nor compressed, is marked as x=0.
英語のヒント
ブロックをばねにつなぎ、摩擦のない台に置く。ばねが伸びも縮みもしていないつり合いの位置をx=0とする。
Work is done on the block to pull it out to a position of x=+A, and it is then released from rest. The maximum x-position (A) is called the amplitude of the motion. The block begins to oscillate in SHM between x=+A and x=−A, where A is the amplitude of the motion and T is the period of the oscillation. The period is the time for one oscillation. Figure 15.5 shows the motion of the block as it completes one and a half oscillations after release. Figure 15.6 shows a plot of the position of the block versus time. When the position is plotted versus time, it is clear that the data can be modeled by a cosine function with an amplitude A and a period T. The cosine function cosθ repeats every multiple of 2π, whereas the motion of the block repeats every period T. However, the function cos(2πTt) repeats every integer multiple of the period. The maximum of the cosine function is one, so it is necessary to multiply the cosine function by the amplitude A.
英語のヒント
ブロックに仕事を加えてx=+Aまで引き、静かに放す。x座標の最大値Aを、運動の振幅と呼ぶ。ブロックはx=+Aとx=−Aの間で単振動し始める。ここでAは振幅、Tは周期である。周期は1回の振動にかかる時間である。図15.5は、放してから1.5回振動するまでの運動を示し、図15.6は位置と時間のグラフを示す。位置を時間に対して描くと、データを振幅A、周期Tの余弦関数で表せることが分かる。余弦関数cosθは2πの整数倍ごとに繰り返すが、ブロックの運動は周期Tごとに繰り返す。一方、関数cos(2πTt)は周期の整数倍ごとに繰り返す。余弦関数の最大値は1なので、振幅Aを掛ける必要がある。
Recall from the chapter on rotation that the angular frequency equals ω=dθdt. In this case, the period is constant, so the angular frequency is defined as 2π divided by the period, ω=2πT.
英語のヒント
回転の章で、角振動数がω=dθdtに等しいことを学んだ。この場合、周期は一定なので、角振動数を2πを周期で割ったもの、すなわちω=2πTと定義する。
水平なばねにつながれた質点が水平面を滑る様子を、連続した図で示す。t=0から1.5周期まで、周期の8分の1ごとに質点とばねの位置、質点への力を描いている。図を縦に並べ、隣り合う図の質点の位置を青い線で結んで、横方向の位置と縦方向の時間のグラフにしている。x=0は水平面の中央である。 最上段では、質点はx=+Aにあり、合力は左向きの−kAで、ばねは最大まで伸びている。時刻はt=0である。2段目では、質点はx=+A/2とx=Aの間にあり、左向きの合力は前の図より小さい。ばねの伸びもt=0より小さい。3段目では、質点はx=0にあり、合力はゼロ、ばねは自然長で、時刻はt=T/4である。4段目では、質点はx=−A/2とx=−Aの間にあり、力は右向きで、その大きさは2段目と同じである。ばねは少し縮んでいる。5段目では、質点はx=−Aにあり、合力は右向きの+kA、ばねは最大まで縮み、時刻はt=T/2である。 6段目では、質点はx=−A/2とx=−Aの間にあり、力は右向きで、その大きさは2段目と同じである。ばねは少し縮み、4段目と同じ状態を示す。7段目では、質点はx=0、合力はゼロ、ばねは自然長で、時刻はt=3T/4であり、3段目と同じ状態となる。8段目では、質点はx=+A/2とx=Aの間にあり、力は左向きで、2段目と同じ状態となる。9段目では、質点はx=+A、合力は左向きの−kAで、ばねは最大まで伸びている。時刻はt=0と表示され、最上段と同じ状態となる。 残る4段は2、3、4、5段目を繰り返し、11段目の時刻はt=1.25T、13段目はt=1.5Tである。質点の位置を結ぶ線は、縦向きの正弦波形を作る。

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Figure 15.5図 15.5
A block is attached to one end of a spring and placed on a frictionless table. The other end of the spring is anchored to the wall. The equilibrium position, where the net force equals zero, is marked as x=0m. Work is done on the block, pulling it out to x=+A, and the block is released from rest. The block oscillates between x=+A and x=−A. The force is also shown as a vector.
英語のヒント
ブロックをばねの一端につなぎ、摩擦のない台に置く。他端は壁に固定する。合力がゼロになるつり合いの位置をx=0mとする。ブロックに仕事を加えてx=+Aまで引き、静かに放すと、x=+Aとx=−Aの間を振動する。力もベクトルとして示している。
横軸を時間、縦軸を位置とするグラフ。縦軸は−Aから+A、横軸は0から3T/2までである。曲線は余弦関数で、時刻0と時刻Tで+Aとなる。

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Figure 15.6図 15.6
A graph of the position of the block shown in Figure 15.5 as a function of time. The position can be modeled as a periodic function, such as a cosine or sine function.
英語のヒント
図15.5のブロックの位置を時間の関数として示したグラフ。位置は、余弦や正弦のような周期関数で表せる。
The equation for the position as a function of time x(t)=Acos(ωt) is good for modeling data, where the position of the block at the initial time t=0.00s is at the amplitude A and the initial velocity is zero. Often when taking experimental data, the position of the mass at the initial time t=0.00s is not equal to the amplitude and the initial velocity is not zero. Consider 10 seconds of data collected by a student in lab, shown in Figure 15.7.
英語のヒント
位置を時間の関数として表す式x(t)=Acos(ωt)は、初期時刻t=0.00sで位置が振幅Aに等しく、初速度がゼロの場合のデータによく合う。しかし、実験データを取るとき、初期時刻t=0.00sで質点の位置が振幅に等しくなく、初速度もゼロでないことが多い。図15.7に示した、学生が実験室で集めた10秒間のデータを考えよう。
ばねにつながれた質点の位置と時間のデータ。横軸は時間tで0–10秒、縦軸は位置xで−3–4 cmを示す。データは点で表され、1秒当たり約10点の等間隔で測定されたように見える。10秒間に4周期を少し超える正弦波状の振動がある。t=0ではx=−0.8 cmである。tが約0.6、3.1、5.5、7.9秒のとき、最大値x=3 cmとなり、約1.9、4.3、6.7、9.0秒のとき、最小値x=−3 cmとなる。

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Figure 15.7図 15.7
Data collected by a student in lab indicate the position of a block attached to a spring, measured with a sonic range finder. The data are collected starting at time t=0.00s, but the initial position is near position x≈−0.80cm≠3.00cm, so the initial position does not equal the amplitude x0=+A. The velocity is the time derivative of the position, which is the slope at a point on the graph of position versus time. The velocity is not v=0.00m/s at time t=0.00s, as evident by the slope of the graph of position versus time, which is not zero at the initial time.
英語のヒント
学生が実験で集めたデータは、ばねにつながれたブロックの位置を、音波式距離計で測ったものである。時刻t=0.00sから記録しているが、初期位置はx≈−0.80cm≠3.00cm付近であり、振幅x0=+Aとは等しくない。速度は位置の時間微分で、位置と時間のグラフ上の各点の傾きに当たる。初期時刻でグラフの傾きがゼロでないことから明らかなように、時刻t=0.00sの速度はv=0.00m/sではない。
The data in Figure 15.7 can still be modeled with a periodic function, like a cosine function, but the function is shifted to the right. This shift is known as a phase shift and is usually represented by the Greek letter phi (ϕ). The equation of the position as a function of time for a block on a spring becomes
英語のヒント
図15.7のデータも余弦のような周期関数で表せるが、関数を右へずらす必要がある。このずれを位相のずれと呼び、通常はギリシャ文字ファイ(ϕ)で表す。ばねにつながれたブロックの位置の時間変化は、次の式になる。
x(t)=Acos(ωt+ϕ).
This is the generalized equation for SHM where t is the time measured in seconds, ω is the angular frequency with units of inverse seconds, A is the amplitude measured in meters or centimeters, and ϕ is the phase shift measured in radians (Figure 15.8). It should be noted that because sine and cosine functions differ only by a phase shift, this motion could be modeled using either the cosine or sine function.
英語のヒント
これは単振動の一般的な式である。tは秒で測る時間、ωは単位が秒の逆数である角振動数、Aはメートルまたはセンチメートルで測る振幅、ϕはラジアンで測る位相のずれである(図15.8)。正弦と余弦は位相のずれだけが異なるため、この運動はどちらの関数でも表せることに注意しよう。
角度に対して振動する関数の二つのグラフ。(a) はcos θをθの関数として、−πから2πまで示す。値は−1から+1の間を振動し、θ=0で最大値+1となる。(b) はcos(θ+φ)をθの関数として、−πから2πまで示す。値は−1から+1の間を振動し、θ=φで最大となる。余弦曲線をφだけ右へずらした形である。

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Figure 15.8図 15.8
(a) A cosine function. (b) A cosine function shifted to the left by an angle ϕ. The angle ϕ is known as the phase shift of the function.
英語のヒント
(a) 余弦関数。(b) 角度ϕだけ左へずらした余弦関数。角度ϕを、関数の位相のずれと呼ぶ。
The velocity of the mass on a spring, oscillating in SHM, can be found by taking the derivative of the position equation:
英語のヒント
ばねにつながれて単振動する質点の速度は、位置の式を微分すれば求められる。
v(t)=dxdt=ddt(Acos(ωt+ϕ))=−Aωsin(ωt+ϕ)=−vmaxsin(ωt+ϕ).
Because the sine function oscillates between –1 and +1, the maximum velocity is the amplitude times the angular frequency, vmax=Aω. The maximum velocity occurs at the equilibrium position (x=0) when the mass is moving toward x=+A. The maximum velocity in the negative direction is attained at the equilibrium position (x=0) when the mass is moving toward x=−A and is equal to −vmax.
英語のヒント
正弦関数は−1から+1の間を振動するので、最大速度は振幅と角振動数の積vmax=Aωである。質点がx=+Aに向かって動き、つり合いの位置(x=0)を通過するときに最大速度となる。負方向の最大速度は、質点がx=−Aへ向かい、つり合いの位置(x=0)を通過するときに達し、その値は−vmaxとなる。
The acceleration of the mass on the spring can be found by taking the time derivative of the velocity:
英語のヒント
ばねにつながれた質点の加速度は、速度を時間で微分すれば求められる。
a(t)=dvdt=ddt(−Aωsin(ωt+ϕ))=−Aω2cos(ωt+φ)=−amaxcos(ωt+ϕ).
The maximum acceleration is amax=Aω2. The maximum acceleration in the positive direction occurs at the position (x=−A), and is equal to amax.
英語のヒント
加速度の最大の大きさはamax=Aω2である。正方向の最大加速度は、位置(x=−A)で生じ、その値はamaxとなる。