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連成振動(ばね‐質量‐ダンパー系(2連成)) : シミュレーション

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運動を開始/停止する.      初期状態に戻す.

2体連成振動

3つのバネで連結した2つの物体の運動

左壁と物体Aを結ぶバネをバネ1,物体間を結ぶバネをバネ2,物体Bと右壁を結ぶバネをバネ3とし,それぞれの間には物体の速度に比例する抵抗力を与えるダンパーが存在するとする.

物体A(質量 mA 〔kg〕)と物体B(質量 mB 〔kg〕)の運動方程式

mA d2xA dt2 = −k1xA −k2 ( xA−xB ) −b1vA −b2 ( vA−vB )

mB d2xB dt2 = −k2 ( xB−xA ) −k3xB −b2 ( vB−vA ) −b3vB

xA , xB 〔m〕:物体A,物体Bの変位  ,   vA , vB 〔m/s〕:物体A,物体Bの速度
k1 , k2 , k3 〔N/m〕:バネの弾性定数  ,   b1 , b2 , b3 〔N・s/m〕:ダンパーの減衰係数

散逸関数   D= 12{ b1 vA2 + b2 ( vA−vB ) 2 +bvB2 }

ダンパーで消費される単位時間当たりのエネルギー量:   dEdt =−2D 〔J/s〕

xA = CA eλt , xB = CB eλt とおき,運動方程式に代入して整理すると次の連立方程式を得る.

mA λ2 CA +( b1 + b2 )λ CA +( k1 + k2 ) CA − b2 λ CB − k2 CB =0

− b2 λ CA − k2 CA + mB λ2 CB +( b2 + b3 )λ CB +( k2 + k3 ) CB =0

上の2式を行列で表すと次式となる.

( mAλ2 +( b1 +b2 ) λ+k1 +k2 −b2 λ−k2 −b2 λ−k2 mB λ2 +( b2+b3 ) λ+k2 +k3 )( CA CB )=0

非自明な解をもつ条件は

| mA λ2 +( b1 +b2 )λ+ k1 +k2 −b2 λ−k2 −b2 λ−k2 mB λ2 +( b2 +b3 )λ+ k2 +k3 |=0

であり,この λ についての4次方程式の解 λi ( i=1∼4 )とそれに対応する連立方程式の解 CAi , CBi を用いて,運動方程式の一般解は

xA = ∑i=14 CAi eλit , xB = ∑i=14 CBi eλit

と求まる.連立方程式の解 CAi , CBi は一意に求まらないので,初期条件によって一意に決定する.

また,4次方程式の解は一般に複素数であり,実数係数の方程式の場合,必ず共役複素数の解( λ=a±ib )となる.物理的には,複素解では減衰振動となり,実数解では過減衰や臨界減衰(重根の場合)となる.



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