調和運動とは

調和運動は、振り子、ばね、または太陽の周りの惑星の軌道など、振動する、または繰り返すシステムの概念です。 内部エネルギーが同じである限り、調和運動しているシステムはエネルギーと運動量を節約します。 実際のシステム、つまり非理想的なシステムでは、分子との衝突のためにわずかな量でも摩擦によるエネルギー損失が発生します。 システムが振動運動をするためには、2つの主要な特性が存在しなければなりません。弾性と慣性です。 ニュートンの最初の法則のため、すべてのオブジェクトには慣性があります。 したがって、バネなどの弾性の源が存在する必要があります。

単純な調和システムには、バネまたはバネに取り付けられたおもりなどの他の弾性源に固定された1つ以上の振動オブジェクトが含まれます。 オブジェクトの動きは、正弦波パターンで速度を変化させます。 オブジェクトの運動量を提供する弾性力は、運動の中心からの距離とともに増加します。 オブジェクトが遠ざかるほど、より大きな弾性力が発揮されます。 オブジェクトがその運動の終わりに達すると、力は、サイクルが繰り返される振動経路のもう一方の端まで速度を上げながら後方に移動します。 概念を説明するために単純な調和運動が使用されますが、摩擦は考慮されません。

それに比べて、減衰運動には、摩擦またはシステムを減速させ、最終的にシステムが平衡状態に達する、または運動しない他の外部の力が含まれます。 システム内の摩擦が大きければ大きいほど、振動する物体はより早く平衡に達します。 過減衰では、平衡化の前に数サイクルの振動しか許されません。 クリティカルダンピングは、自動車のショックアブソーバーなど、平衡状態にすばやく戻ります。 そして、減衰不足は振動を時間とともに減少させます。 水などの粘性の高い媒体ほど摩擦が大きくなります。

調和運動は、日々の生活に多くの用途があります。 時計の振り子、車のサスペンションシステムのスプリング、エンジンのフライホイールの回転など、あらゆるタイプの振動システムは、減衰振動の形をとります。 たとえば、減衰の原因となる摩擦力を知ることで、調和システムで一定の振動率を維持するために必要な駆動力を計算できます。 音楽アプリケーションもあります。 たとえば、ギターの弦の長さを知ることは、駆動力が与えられたときの振動速度、したがって演奏されるノートの周波数を計算する方法を提供します。