自励振動

自励振動とは

自励振動（じれいしんどう）とは、外部から振動の原因となるエネルギーが加わらなくても、あるシステムが自身の特性に応じて振動を生じさせる現象を指します。この振動は、系内部の特性によって非振動エネルギーが振動に変換されることでおこります。
1970年代に建設されたタコマナローズ橋の崩落事故は、自励振動の代表的な例として広く知られています。この橋は、風によって引き起こされた振動を最初は軽視されていたのですが、開通から約4ヶ月後に、自励振動による振幅の増大により崩壊しました。その様子は映像として記録され、以降の構造物の振動に関する研究が進展するきっかけとなりました。

自励振動の発生原理

自励振動が発生するためには、いくつかの条件が必要です。主な条件は次の三つです：
1. 非振動的エネルギーの存在: システム内に振動を引き起こすエネルギーの供給がある。
2. 励振力に変換される機能: システムが持つ特性や機構により、非振動エネルギーを振動に変換できること。
3. 初期外乱の存在: 小さな変動や外部からの刺激が加わること。

自励振動が一度発生すると、その特性により自動的に振動が続きます。ただし、何もエネルギーが加わらない状態では振動が発生しないという特徴があります。自励振動を防ぐためには、上記の条件を変更したり、適切な減衰を導入する手段が講じられます。

自励振動のタイプ

自励振動はその原因に基づいていくつかの種類に分類されます。以下に代表的なものを挙げます。

流体励起振動

機械や構造物に流体が関与する場合、自励振動が生じます。特に、流れの後方に生じる渦が引き起こす振動は渦振動と呼ばれ、流体関連の振動全般を指すこともあります。

摩擦振動

摩擦が原因で生じる自励振動で、システムの摩擦要素が相対的な滑り速度が上昇することに伴い、摩擦係数が低下する特性を持つ場合に発生します。この現象はさまざまな産業機器で見られます。

時間遅れ系による自励振動

このタイプは、フィードバック系において時間遅れが存在する場合に発生し、たとえば切削加工におけるびびり振動が代表的です。

係数励振振動

振動系の運動方程式の coefficients が周期的に変化することによって生じる振動です。ブランコなどの遊具がその例です。

自励振動の具体例

自励振動の具体例として、以下の現象が挙げられます：

• - 航空機翼のフラッター現象
• - ポンプのサージング現象
• - カルマン渦による煙突の振動・破損
• - 衝撃波自励振動
• - 送電線のギャロッピング現象
• - バイオリンの弦・木管楽器のリードの振動
• - チョークなどのスティックスリップ現象
• - 鉄道車両の蛇行動
• - 自動車のシミー現象
• - 切削加工のびびり振動

このような自励振動は実務や研究において重要な現象であり、理解を深めることで様々な分野での安全性や効率性を向上することに繋がります。

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