バネの振動を用いた免振機構の理解

バネにボールを取り付けて、共振させる。

 

【キーワード】

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単振動、共振現象*

 

【目的】

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単振動の固有振動数や共振現象を理解させる。

 

【用意するもの】

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材料	個数	備考
バネ	１つ	弱い（バネ定数の小さい）もの。
ボール	１個	固有周期が１秒程度になるように合わせる。

 

【準備時間および実験時間】

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5分

 

【実験準備】

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ボールを取り付けたバネの固有振動数がどの程度か、事前にリハーサルをして確認しておく。

 

【実験手順】【教員による説明】

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1. 単振り子と実体振り子を同時に振り、周期を比較する。（結果）：実体振り子の周期が長いことがわかる。ここで、学生に実体振り子の有効な長さが、棒の端から重心までの距離よりも長い理由を考えさせる。
2. 固有振動数よりも非常に大きな振動数で（非常に素早く）、バネを振動させる。（結果）：バネにつるしたボールはほとんど動かない。

【教員による説明】

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1. 学生に、「地震計は地面に置いてあるが、地面と一緒に揺れたら、揺れの大きさが分からないのではないか。さて、どうするか？」と、問いかけをして考えさせる。この問いには、学生たちも頭をひねる。聞かれて初めて、動かない基準が必要だ、と気がつく。
2. 問いかけによって学生に問題意識を持たせてから、演示実験を行う。固有周期より短い振動ではバネにつるしたボールは動かない。このことから、地震計の原理を説明することができる。
3. 最後に、共振現象の原理を応用した免振構造を紹介し（図１）、理解を深める。

【動画】

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【注意点・備考】

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バネの振動で記述される共振現象は様々な分野で現れるので、「法則」の普遍性を理解させるのにも良い例である。

図１．ガイドウェイ・バス大曾根駅の免震構造の例。上の台と柱の間に見える黒い板が免振バネ。

【記事作成者】

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三浦 裕一（名古屋大学理学研究科）