質問 (From: 商社経営) †
橋・ビル・飛行機・電車・自動車などは，どのような仕組みで地震とか振動を避けているのですか．やさしい科学として教えてください．振動の教科書はみな難しく，数学もよく分かりません．
解説 †
物理の法則として，力を受けない物体は静止したままです．また，動いている物体は，力を受けない限り，同じ速度を保ちます．いずれにしても，
- 力を受けない物体は，振動しません．
さてここで，そもそも振動とは何でしょう．よくよく考えてみると，
- 振動とは，同じ場所を行ったり来たりすること
ですね．
自由振動論 †
外から揺らされていない物体が，自発的に行ったり来たりを繰り返す現象を，自由振動といいます．
自由振動は復元力でおこる †
自由振動が起こるには，
- 行きすぎたら引きもどす力
が必要です．これを復元力と言います．復元力が作用している物体は，
- 行きすぎたら引きもどされ
- その勢いでまた行きすぎてしまって引きもどされ
- その勢いでまた行きすぎてしまって引きもどされ
を繰り返します．この行ったり来たりを，振動というわけです．用語を導入しましょう．
- 物体は勢いを蓄える性質を持っていて，これを物体の慣性といいます．蓄える程度を質量という数値で測ります．
- 復元力の程度を，ばね定数という数値で測ります．
以上，慣性をもつ物体に復元力が作用すると，その物体は振動します．
ブレーキ力の存在 †
慣性と復元力が引きおこした振動は，ブレーキがないと止まりません．では，ブレーキの作用とは何でしょう．ようするに，
- 物体の速度と逆向きの力（物体が停止すると消える）
のことです．これを摩擦力とか制動力といいます．摩擦力が作用する物体は，運動を妨げる向きの力を受けるので，いずれ停止します．
- 摩擦力の程度を，摩擦係数という数値で測ります．
自由振動の条件 †
物体がどのように振動するかは，3つの数値(質量, ばね定数, 摩擦係数)の組合せで決まります．
- 質量が大きいほど，行ったり来たりが遅くなる．
- ばね定数が大きいほど，行ったり来たりが速くなる．
- 摩擦係数が大きいほど，短時間で停止する．大きすぎると，往復する暇もなく停止＝振動が消える．
振動の抑え方１ †
ここまでの説明で，質問（振動の避け方）に対する第１の答えが得られました．すなわち，
- 自由振動（自発的な行ったり来たり）を抑えるには，摩擦係数を十分に大きくする．
という対策が可能なわけです．
強制振動論 †
外から強制的に揺らされた物体は，やはり振動を起こします．これを自発的な自由振動と区別して，強制振動といいます．強制振動にも，先ほど説明した自由振動が成分として含まれていますが，自由振動成分は時間とともに減衰し，最後に強制振動に特有の振動が残ります．これを定常応答と呼びます．
共振現象 †
物体を外から揺らしたときに最後まで残る振動の大きさ，すなわち定常応答の大きさは， 3つの数値(質量, ばね定数, 摩擦係数)以外にも，入力振動数によって大きく変化します．入力振動数とは，もちろん，物体を外から揺らす振動の速さのことです．
身近な例として，釣竿(or しなる棒)を持って，左右にゆっくり揺すってみましょう．揺すっている手の動きを入力として，釣竿の穂先の振れ幅を観察します．
- 手の速度が十分に遅いとき，穂先は手と同じ方向に動いているはずです．これを同相といいます．
- 徐々に手の動きを早くしていくと，手の振れ幅を増やさなくても，穂先の振れ幅は増大していきます．これを共振現象といいます．
- さらに手の動きを速くしていくと，手の動きに穂先が追いつかなくなり，穂先と手が逆方向に動きだします．これを逆相といいます．逆相になると，竿の反発と手の動きが相殺して，穂先の動きは小さくなります．
このように，入力振動数を徐々に増やすと，強制振動（定常応答）の振幅は，いったん増えてから減少します．このような振幅の増減を共振現象といいます．振幅が最大になる条件を共振点，そのときの振動数を共振振動数といいます．そして，
- 共振点の場所（入力周波数）は，3つの数値(質量, ばね定数, 摩擦係数)で決まります．
振動の抑え方２ †
これで，質問（振動の避け方）に対する第２の答えが得られました．すなわち，
- 強制振動（外から揺らしたときの振動）を抑えたければ，物体を揺らす振動数と，共振振動数とを大きく離せばよい．そうなるような3つの数値(質量, ばね定数, 摩擦係数)を選ぶ．
という対策を講じることができます．
振動の抑え方３ †
「振動の抑え方２」の発展形として，動吸振器という方法もよく使われます．詳細は省きますが，釣竿の例でたとえると，竿に小さな振り子をつけて，竿の反発を振り子運動で相殺してしまうような方法です．竿の条件(質量, ばね定数, 摩擦係数)が変更できなくても，後付の振り子の条件を調整することで，共振点を変更することができます．