振動・波動の基礎-⑪2自由度系の非減衰強制振動の一般解

[voice icon="https://deltapower.site/wp-content/uploads/2020/04/男性悩み.png" name="物理苦手君" type="l"]2自由度の強制振動って特解だけ見てたけど、一般解は見なくてもいいの？[/voice]

[voice icon="https://deltapower.site/wp-content/uploads/2020/09/にっこり右側.jpg" name="デルタ先生" type="r"]実際の波形は一般解の形になるから、一般解の形を見ておくべきだけど、共振とか反共振点の議論をするだけだったら、特殊解だけで議論しても大丈夫なことが多いよ。[/voice]

本記事では、2自由度の非減衰の強制振動の一般解の波形について解説します。

前回は強制振動の特解を求めて、その波形について解説しました。

今回はさらにリアルな振動として、一般解がどのようになっているのか、グラフからイメージできるようになりましょう。

[box class="blue_box" title="参考記事"]

振動・波動の基礎⑩-2自由度系の非減衰強制振動と反共振点

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[box class="green_box" title="本記事をおススメする人"]

2自由度の強制振動を理解したい人
物理を勉強していて興味がある人、仕事で振動の知識を使う人

[/box]

下記動画でも解説していますので、参考にしていただければと思います。

1 2自由度の非減衰強制振動
- 1.1 モデルと運動方程式
2 2自由度の非減衰強制振動の一般解
3 まとめ
4 参考文献

2自由度の非減衰強制振動

モデルと運動方程式

今回取り扱うモデルです。

運動方程式は下記のようになります。

$$m_1\ddot{x_1}+(k_1+k_2)x_1-k_2x_2=Fcosωt$$

$$m_2\ddot{x_2}-k_2x_1+k_2x_2=0$$

2自由度の非減衰強制振動の一般解

前回、解き方のところで解説しましたが、非斉次微分方程式が連立した式を解く必要があり、その一般解というのは、

一般解=斉次方程式の一般解+非斉次方程式の特解

という形で、 斉次方程式の一般解は自由振動のときの一般解になるのでした。

自由振動のケースは下記の過去記事を参考にしてください。

[box class="blue_box" title="参考記事"]

振動・波動の基礎⑧-2自由度の非減衰自由振動-固有振動モード

振動・波動の基礎⑨-2自由度系の非減衰自由振動具体的な振動と使い道

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自由振動の一般解の復習

自由振動の復習ですが、1次の固有振動モードにおける質点$m_1、m_2$の振幅をそれぞれ、$u_1\color{red}^1$、$u_2\color{red}^1$、

2次の固有振動モードにおける質点$m_1、m_2$の振幅をそれぞれ

$u_1\color{green}^2$、$u_2\color{green}^2$と置くと、自由振動の一般解は、

$$\left(\begin{array}{c}x_1(t)\\x_2(t)\end{array}\right)=A\left(\begin{array}{c}u_1\color{red}^1\\u_2\color{red}^1\end{array}\right)cosω\color{red}_1\color{black}t+B\left(\begin{array}{c}u_1\color{green}^2\\u_2\color{green}^2\end{array}\right)cosω\color{green}_2\color{black}t+C\left(\begin{array}{c}u_1\color{red}^1\\u_2\color{red}^1\end{array}\right)sinω\color{red}_1\color{black}t+D\left(\begin{array}{c}u_1\color{green}^2\\u_2\color{green}^2\end{array}\right)sinω\color{green}_2\color{black}t・・・①$$

この式の微分形と、位置と速度のt=0の初期条件$x_{10}、x_{20}、v_{10}、v_{20}$から係数のA、B、C、Dを求めることができます（三角関数のsinの項はゼロになり、cosの項だけ残りますね）。

$u$に関する文字を簡単にするために、下記のように振幅比$A_1$と$A_2$を導入します。

$\color{red}ω_1$の時の$u_1$、$u_2$を$u_1\color{red}^1$、$u_2\color{red}^1$とし、$\frac{u_2\color{red}^1}{\color{black}u_1\color{red}^1}\color{black}=\color{red}A_1$、

$\color{green}ω_2$の時の$u_1$、$u_2$を$u_1\color{green}^2$、$u_2\color{green}^2$とし、$\frac{u_2\color{green}^2}{\color{black}u_1\color{green}^2}\color{black}=\color{green}A_2$とします。

そして、下記のように振幅の前の係数を置きなおします。

$$A'=Au_1\color{red}^1$$

$$B'=Bu_2\color{green}^2$$

$$C'=Cu_1\color{red}^1$$

$$D'=Du_2\color{green}^2$$

このように置くと、係数は下記のように求まります。

$$A'=\frac{-A_2x_{10}+x_{20}}{A_1-A_2}・・・②$$

$$B'=\frac{A_1x_{10}-x_{20}}{A_1-A_2}・・・③$$

$$C'=\frac{-A_2v_{10}+v_{20}}{(A_1-A_2)ω_1}・・・④$$

$$D'=\frac{A_1v_{10}-v_{20}}{(A_1-A_2)ω_2}・・・⑤$$