自由振動と強制振動で異なる固有振動数の理由

工学

2026.02.25

固有振動数に関する実験において、自由振動と強制振動で異なる振動数が得られることがあります。これにはいくつかの理由がありますが、ここではそのメカニズムを簡単に解説します。

固有振動数とは？

固有振動数とは、物体が自由に振動する際にその物体固有の振動数のことを指します。この振動数は、物体の質量や剛性などによって決まります。自由振動では、外力が働かず、物体がそのままの特性で振動します。

自由振動は、物体が自らの力で振動を続ける状態で、外部からの強制力が加わらない状態で行われます。強制振動は、外部の力が物体に周期的に加わり、その力に合わせて物体が振動する状態です。

自由振動では、物体が持つ自然の固有振動数で振動しますが、強制振動では、外部から加わる周期的な力の振動数（外部振動数）が物体の振動に影響を与え、共振が発生することがあります。

自由振動と強制振動で求められる固有振動数が異なる理由は、主に以下の要因が関係しています。

ダンピング（減衰）：自由振動ではダンピングの影響を受けることがあります。ダンピングは振動のエネルギーが外部に散逸する現象で、振動が徐々に減衰していきます。強制振動の場合、外部力が振動を維持するため、ダンピングが振動数に与える影響は少なくなります。
外部力の影響：強制振動では外部力が周期的に加わるため、その力に応じて物体の振動数が変化します。共振現象が発生すると、物体の振動数は外部振動数に一致しますが、自由振動では物体固有の振動数で振動します。
初期条件の違い：自由振動の場合、初期の変位や速度に依存して振動が始まりますが、強制振動では外部の周期的な力が振動を引き起こすため、初期条件に関係なく一定の振動数で振動します。