ゼロからの高校物理 / 物理 / 円運動と単振動

単振動

公式

振動数f = 1T単位は Hz(ヘルツ)です。
角振動数ω = 2πT
sin の決め方sin θ = (P の高さ)÷(半径)円の上の点 P の高さは、円の中心から上を正として測ります。
位置x = A sin ωt振動の中心を上向きに通るときを t = 0 とし、上を正とします。

1振幅・周期・振動数

往復運動の大きさは振幅、1 往復の時間は周期、1 s あたりの往復の回数は振動数で表します。

天井からつるしたばねの下に、おもりを付けます。おもりを少し下へ引いて放すと、おもりは上下に行ったり来たりします。このように、同じ所を行ったり来たりする運動を振動といいます。

天井からつるしたばねの下のおもりが、上の端と下の端の間を上下に2往復する絵 上下に往復
往復した回数 2 回

往復の真ん中の位置を、振動の中心といいます。振動の中心を原点にします。このページでは、上を正の向きとします。おもりの位置を、振動の中心から測って x と書きます。x = +0.10 m は「振動の中心より 0.10 m 上にいる」、x = −0.10 m は「振動の中心より 0.10 m 下にいる」という意味です。

おもりが振動の中心を上向きに通る瞬間を、時刻 t = 0 とします。

あるおもりの位置を、0.50 s ごとに調べると、次の表のようになりました。

時刻 t(s)00.501.01.52.0
位置 x(m)0+0.100−0.100

0 s に中心を上向きに通ったおもりは、0.50 s 後に中心より 0.10 m 上の端に着き、そこで向きを変えます。1.0 s 後に中心を下向きに通り、1.5 s 後に中心より 0.10 m 下の端に着きます。2.0 s 後に、中心を上向きに通ります。0 s と同じ様子に戻りました。

振動の中心から端までの距離を、振幅といい、記号 A で表します。単位は m です。このおもりの振幅は A = 0.10 m です。上の端から下の端までの 0.20 m ではありません。

+0.10 0 −0.10 x [m] 振動の中心 (x = 0) x = +0.10 m 振幅 A = 0.10 m x = −0.10 m t = 0 s 0.50 s 1.0 s 1.5 s 2.0 s 上の端 下の端

紫の短い矢印は、おもりが動いている向きです。上の端と下の端では、おもりは一瞬止まって向きを変えます。

1 往復にかかる時間を、周期といい、記号 T で表します。単位は s です。1 往復は、中心 → 上の端 → 中心 → 下の端 → 中心 と動いて、もとの様子に戻るまでです。このおもりの周期は T = 2.0 s です。円運動では、1 周にかかる時間を周期と呼びます。振動では、1 往復にかかる時間が周期です。

1 s あたりに往復する回数を、振動数といい、記号 f で表します。振動数の単位は Hz と書き、「ヘルツ」と読みます。1 Hz は、1 s に 1 往復することです。

このおもりは、1 往復に 2.0 s かかるので、1 s ではその半分の 0.50 往復しかしません。だから、振動数は f = 1 ÷ 2.0 = 0.50 Hz です。振動数と周期は、次の関係です。

f = 1T

確認

振幅が 0.15 m の振動で、おもりが上の端から下の端まで動く距離は何 m ですか。

答え

0.30 m です。振幅は、振動の中心から端までの距離だからです。

例題

ばねにつるしたおもりが、上下に 10 往復するのに 6.0 s かかりました。この振動の周期と振動数を求めなさい。

  1. 1 往復の時間は、T = 6.0 ÷ 10 = 0.60 s です。
  2. 振動数は、f = 1/T = 1 ÷ 0.60 = 1.66… Hz です。与えた時間 6.0 s が 2 桁なので、答えも 2 桁に丸めて ≒ 1.7 Hz と書きます(10 往復は数えた回数なので、桁を数えません)。

答え: 周期 0.60 s、振動数 1.7 Hz

2等速円運動の影

縦の面で等速円運動をしている玉を、真横から水平な光で照らすと、影は上下に往復します。この影のような往復運動を単振動といいます。

項目1 の表では、おもりの位置を 0.50 s ごとにしか調べていません。その間の時刻の位置を求めるには、往復の動きを式で表す必要があります。一定の速さで円の上を回る運動を、等速円運動といいます。等速円運動は、1 s あたりに回る角(角速度)を使って、式で表せます。そこで、等速円運動を使って、往復の動きを表します。

観覧車のように、縦に立てて回る円板を考えます。円板の縁に、小さな玉を付けます。円板は一定の速さで回るので、玉は等速円運動をします。円板の左から、水平な光を当てます。円板の右には、縦に立てたスクリーンを置きます。

光は水平に進むので、スクリーンの影は、いつも玉と同じ高さにできます。玉が円の上を回ると、影はスクリーンの上を上下にだけ動きます。等速円運動を真横から照らした影のような往復運動を、単振動といいます。

下の動画では、スクリーンの右に、項目1 と同じような、ばねにつるしたおもりを並べます。円板の半径と、おもりの振幅はそろえてあります。影の動きとおもりの動きを比べてください。

0:00 / 0:16
縦に立てて回る円板の縁の玉に、左から水平な光を当て、右のスクリーンに影を映しています。その右に、ばねにつるしたおもりを並べました。前半(0:00〜0:07)は影とおもりをそのまま、後半(0:07〜0:16)は影とおもりを点線でつないで見せます。画面の t は、玉が回り始めてからの時刻です。

やってみよう

(1) 前半を見てください。玉が右の端から 1 周して右の端に戻るまでに、画面の t は何 s 進みましたか。その間に、おもりは何往復しましたか。(2) 後半(0:07 から)を見てください。影とおもりをつなぐ点線は、いつも水平ですか。

分かること

(1) 3.0 s、1 往復です。(2) いつも水平です。

動画では、影とおもりは、どの時刻でも同じ高さにありました。玉が 1 周する 3.0 s の間に、おもりはちょうど 1 往復しました。ばねにつるしたおもりは、等速円運動の影と同じ動きをしています。だから、おもりの運動も単振動です。

影のもとになった円運動の半径は、単振動の振幅 A と同じです。円運動の周期は、単振動の周期 T と同じです。

円運動で 1 s あたりに回る角を、角速度といい、ω(オメガ)で表します。単位は rad/s(ラジアン毎秒)です。rad(ラジアン)は角の単位で、1 周 360° が 2π rad です。影のもとになった円運動の角速度 ω を、単振動では角振動数といいます。

確認

円板の回る速さを 2 倍にすると、影の往復の周期はどうなりますか。

答え

半分になります。影の往復の周期は、玉が 1 周する時間と同じだからです。

3位置の式 x = A sin ωt

単振動の位置は、x = A sin ωt で表せます。sin ωt は、円の上の点の高さ ÷ 半径です。

円の上を回る点を P とします。P は時刻 0 に円の右の端にいて、反時計回りに回ります。角速度 ω は 1 s あたりに回る角なので、時間 t で回る角は ω × t です。この角を θ(シータ)と書くと、θ = ωt です。だから、時刻 t には、P は右の端から角 ωt だけ回った所にいます。角は、円の中心から右へ引いた線から、反時計回りに測ります。

影の位置 x は、P の高さと同じです。P の高さは、円の中心の高さから測ります。角が 0° と 90° の間のとき、P から、中心を通る水平の線へ縦の線を下ろすと、直角三角形ができます。半径 A が斜辺で、P の高さが三角形の高さです。三角比では、sin θ(サイン・シータ)= 高さ ÷ 斜辺 です。だから、P の高さは A sin θ です。たとえば、半径 A = 0.20 m で角が 30° なら、sin 30° = 0.50 なので、P の高さは 0.20 × 0.50 = 0.10 m です。

90° を超えると、直角三角形の角としては sin を決められません。そこで、どんな角でも、sin θ = (P の高さ)÷(半径) と決めます。P が円の中心より下にあるときは、高さを負とします。角が 90° 以下のときは、直角三角形で求めた sin と同じ値になります。

角が 150° のとき、P は円の左上にいます。高さは 30° のときと同じ +0.10 m です。だから、sin 150° = 0.10 ÷ 0.20 = 0.50 です。角が 210° のとき、P は円の左下にいます。高さは中心より 0.10 m 下なので −0.10 m です。だから、sin 210° = −0.10 ÷ 0.20 = −0.50 です。

(a) 30° sin 30° = 0.50 (b) 150° sin 150° = 0.50 (c) 210° sin 210° = −0.50

半径 0.20 m の円です。高さは円の中心から測り、中心より上を正、下を負とします。

決まった角の sin は、次のようになります。

角 θ0°30°90°150°180°210°270°330°360°
sin θ00.5010.500−0.50−1−0.500

影の位置 x は P の高さで、P の高さは A ×(回った角の sin)です。回った角は ωt なので、単振動の位置は次の式で表せます。

x = A sin ωt

P は、1 周の角 2π rad を、周期 T で回ります。だから、1 s あたりに回る角は ω = 2π/T です。影の往復の周期も同じ T なので、単振動の角振動数も次の式で求められます。

ω = 2πT

たとえば、周期 1.2 s の単振動では、ω = 2π/1.2 = 5π/3 rad/s です。0.10 s では、ωt = 5π/3 × 0.10 = π/6 rad 回ります。項目1 の振動数 f = 1/T を使うと、ω = 2πf とも書けます。

ωt は、ラジアンで表した角です。sin の値は、度に直してから上の表で読みます。半円の角が π rad = 180° です。だから、π/6 rad は 180° ÷ 6 = 30° です。たとえば、半径 A = 0.20 m、周期 1.2 s の単振動の、t = 0.10 s の位置は、x = 0.20 × sin 30° = 0.20 × 0.50 = +0.10 m です。

下の図の右には、横軸に時刻 t、縦軸に位置 x をとったグラフ(x-t グラフ)を描きます。グラフの1点 (t, x) は、時刻 t に、影(おもり)が x の位置にいることを表します。たとえば点 (0.10 s, +0.10 m) は、「0.10 s 後に、振動の中心より 0.10 m 上にいる」という意味です。

おもりを上の端で放した瞬間を時刻 0 にすると、式の形が変わります。このページでは、いつも振動の中心を上向きに通る瞬間を時刻 0 にします。

下の図は、項目2 の動画と同じ、縦に回る円板と影の図です。ただし、円板は半径 0.20 m、1 周 1.2 s にしてあります。時刻を 0.10 s ずつ進めて、影の位置 x を読みます。

半径0.20メートル、周期1.2秒で回る点Pと、左からの光でスクリーンに映る影、その位置xを時刻ごとに描いたx-tグラフ。時刻を変えると、回った角と影の位置xを表示する t [s] 0 0.3 0.6 0.9 1.2 x

半径 0.20 m、1 周 1.2 s の円です。0.10 s ごとに 30° 回ります。

回った角 ωt 位置 x

やってみよう

時刻 t を動かして、位置 x が −0.17 m になる時刻を 2 つ探してください。その 2 つの時刻のちょうど真ん中の時刻に、影はどこにいますか。

分かること

0.80 s と 1.00 s です(角は 240° と 300°)。真ん中の 0.90 s には、x = −0.20 m で、影は下の端にいます。下の端の前と後で、同じ位置を 1 回ずつ通ります。

確認

角が 200° のとき、sin 200° は正ですか、負ですか。

答え

負です。200° の点 P は、円の中心より下にあるからです。

例題

振幅 0.40 m、周期 2.4 s の単振動をしているおもりがあります。おもりが振動の中心を上向きに通った時刻を t = 0 とします。t = 0.20 s と t = 1.4 s のおもりの位置 x を求めなさい。sin 30° = 0.50 を使ってかまいません。

  1. 角振動数は、ω = 2π/T = 2π/2.4 = 5π/6 rad/s です。
  2. t = 0.20 s では、ωt = 5π/6 × 0.20 = π/6 rad = 30° です。
  3. x = A sin ωt = 0.40 × sin 30° = 0.40 × 0.50 = +0.20 m です。
  4. t = 1.4 s では、ωt = 5π/6 × 1.4 = 7π/6 rad = 210° です。
  5. 210° の点は円の左下にあり、sin 210° = −0.50 なので、x = 0.40 × (−0.50) = −0.20 m です。

答え: t = 0.20 s で +0.20 m(振動の中心より 0.20 m 上)、t = 1.4 s で −0.20 m(振動の中心より 0.20 m 下)

練習問題

円周率は 3.14 とします。上を正の向きとし、振動の中心を上向きに通る瞬間を t = 0 とします。

パターン1 周期と振動数

問1振動数 2.5 Hz で上下に振動しているおもりがあります。この振動の周期を求めなさい。また、8.0 s の間に、おもりは何往復しますか。

答えを見る

周期 0.40 s、20 往復

T = 1/f = 1 ÷ 2.5 = 0.40 s。1 s に 2.5 往復するので、8.0 s では 2.5 × 8.0 = 20 往復

問2振幅 0.050 m、振動数 0.50 Hz で上下に振動しているおもりがあります。おもりが振動の中心を上向きに通った時刻を t = 0 とします。t = 0 の後、おもりが初めて下の端に着くのは何 s 後ですか。また、それまでにおもりが動いた道のりは何 m ですか。

答えを見る

1.5 s 後、0.15 m

周期は T = 1/f = 1 ÷ 0.50 = 2.0 s。1 往復(中心 → 上の端 → 中心 → 下の端 → 中心)を 4 つに分けると、1 つ分は 2.0 ÷ 4 = 0.50 s。初めて下の端に着くのは、中心 → 上の端 → 中心 → 下の端 の 3 つ分なので、0.50 × 3 = 1.5 s 後。道のりは、振幅 3 つ分の 0.050 × 3 = 0.15 m

パターン2 位置の式

問3振幅 0.10 m、周期 1.2 s の単振動をしているおもりがあります。角振動数 ω と、t = 0.50 s のおもりの位置 x を求めなさい。sin 30° = 0.50 を使ってかまいません。

答えを見る

角振動数 5.2 rad/s、位置 +0.050 m(振動の中心より 0.050 m 上)

ω = 2π/T = 2 × 3.14 ÷ 1.2 = 5.23… ≒ 5.2 rad/s。角を求めるときは、ω は丸めずに使います。t = 0.50 s の角は、ωt = 2π/1.2 × 0.50 = 5π/6 rad = 150°。150° の点は円の左上にあり、高さは 30° のときと同じなので、sin 150° = 0.50。x = 0.10 × 0.50 = +0.050 m

問4ある単振動の位置が、x = 0.30 sin(π/3 × t)(x の単位は m、t の単位は s)で表されます。この単振動の振幅、周期、振動数を求めなさい。

答えを見る

振幅 0.30 m、周期 6.0 s、振動数 0.17 Hz

x = A sin ωt と比べると、A = 0.30 m、ω = π/3 rad/s。周期は T = 2π/ω = 2π ÷ (π/3) = 6.0 s(π は消えます)。振動数は f = 1/T = 1 ÷ 6.0 = 0.166… ≒ 0.17 Hz

つまずきやすいところ

まとめ

公式

振動数f = 1T単位は Hz(ヘルツ)です。
角振動数ω = 2πT
sin の決め方sin θ = (P の高さ)÷(半径)円の上の点 P の高さは、円の中心から上を正として測ります。
位置x = A sin ωt振動の中心を上向きに通るときを t = 0 とし、上を正とします。

物理 第4章 円運動と単振動

  1. 等速円運動
  2. 等速円運動(向心力)
  3. 慣性力と遠心力
  4. 鉛直面内の円運動
  5. 単振動
  6. 単振動(速度・加速度,復元力)
  7. ばね振り子と単振り子
  8. 単振動のエネルギー
  9. 単振動の応用
  10. 単振動の応用(2)

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