じじぃの「科学夜話・共振・巨大な橋・ビルが崩れ落ちる時!屈辱の数学史」

長大吊橋が揺れて崩落 米国のタコマ橋1940

動画 YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=VJ0JILWo_vw

「グラスの共振現象」のスローモーション映像

動画 YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=LQdHOtxsX0g&t=41s

共振と共鳴の違いとは?


共振と共鳴の違いとは?地震や建物との関係なども交えながら少女向け小説家兼ライターが丁寧にわかりやすく解説!

Study-Z
●共振とは物体の固有振動数
外部から力を加えなくても、その物体自身が振動を続ける現象を「固有振動」と言います。物体にはそれぞれ固有の振動数があり、1秒間に物体が振動する回数が「固有振動数(単位=Hz・ヘルツ)」。つまり、1秒間に30回振動すると30Hzになるのです。

このように、それぞれ(個々)の物体が持つ「固有振動数」と同じ振動数(=揺れ)を外から加えることで、物体が振動を始める現象を「共振」と言うのです。
前述した「共振」現象のうち、“音”に関するものを「共鳴」と言います。
https://study-z.net/100185921

『屈辱の数学史』

マット・パーカ/著、夏目大/訳 山と渓谷社 2022年発行

第2章 工学的なミス より

共振が鳴り響くとき

何かと共振すれば、ある意味でその何かと関係していることになる。いわば、何かとハーモニーを奏でているということである。英語で「共振する」という意味の”resonate”は、「心に響く」という意味で使われることもある。”resonate”がそういう比喩的な使われ方をするようになったのは、1970年代後半のことらしいが、「共振する」という意味には1世紀前から使われている。語源は、ラテン語の”resonare”で、これは「反響する」「鳴り響く」というくらいの意味に使われていた。同じ周波数の振動が同時に起きて振動が増幅されることを意味する科学用語になったのは、19世紀のことだ。

共振の説明には、子どもの乗ったブランコがたとえによく使われる。子どもの乗ったブランコは一種の振り子と考えることができる。闇雲にブランコを押してもうまくいかない。ブランコが自分のほうに向かって来るときに手を出せば、みすみす動きを止めることになってしまう。ブランコが自分から遠ざかっていくときに押せば、スピードが上がる。単に規則正しい一定のタイミングで押せばいいというものではない。タイミングによっては、ブランコを押しているつもりで、空気を押しているのと変わらないことになる。
スピードを上げられるのは、ブランコが最も自分に近づいたときに必ず押す、を繰り返した場合だけである。ブランコの揺れる周波数に合わせて押せば、一押しごとにブランコに少しのエネルギーが加算され、これを繰り返すうちに、あっという間に子どもが速過ぎると感じるほどになるだろう。ついには子どもが叫び出し、ブランコを止めることになるのだ。

楽器にも共振は起きるが、ブランコに比べればずっと小さなものである。ギターの弦を弾いて振動させると、ギターの銅の木材や、周囲の空気が1秒間に数千回という速度で振動する。トランペットは、口をすぼめて息を吹き込むと、多数の周波数の振動が同時に発生するが、楽器の空洞と共振した周波数の振動だけが耳に聞こえるくらいにまで増幅される。レバーやバルブを使って、空洞の形を変えれば、増幅される周波数は変化する。トランペットの音程はそういう仕組みで変わっているのだ。

同様のことは無線受信機(非接触型のICカードなども含む)でも起きる。アンテナは、非常に多くの周波数の違う電磁波を、常に受け取っている。テレビや、Wi-Fiネットワークの信号もそうだし、誰かが近くで残りものを電子レンジにかけているだけで、電磁波は発生している。だから、特定の周波数の電磁波だけを集中して取り扱うためにコンデンサとコイルで作られた電子共振器にアンテナをつなぐ必要があるのだ。

共振は時に非常に大きくなるので、機械や建物を作る技術者はそれを防ぐのに大変な努力を払わなくてはいけない。たとえば、洗濯機は回転の周波数が、機械のどこか他の部分と共振してしまうと、とんでもないことになる――洗濯機は命を得たようになり、歩き始めるのだ。

共振は、建物にも深刻な影響を及ぼす。2011年7月、韓国の39階建ての複合商業ビルで、原因不明の揺れが発生し、中にいた人たちが非難する騒ぎが起きた。まず、ビルの最上部の人たちが揺れを感じ始めた。誰かが楽器のベースを鳴らしたようなゆっくりした振動だったが、それが次第に速くなっていき、全員が避難することになったのだ。地震かとも思われたが、調査の結果、12階のフィットネスクラブが一斉にエアロビクスをしたことが原因だと判明した。

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どうでもいい、じじぃの日記。
共振現象で起きた大事故に、アメリカで起きた橋の崩落がある。
これはアメリカ、ワシントン州で1940年11月7日に起きたタコマ橋の落下事故。その渦からの周期的な力とタコマ橋のねじれ振動が共振を起こしてしまった。

2023年2月、トルコ南部からシリア北部にかけて発生した大地震。ビル崩壊の多くに共振が関係しているかもしれない。

約10年前テレビで、数人のマジシャンがテーブルを囲んで、一斉に念力をかけるとテーブルの上に置かれたグラスが突然粉々に割れるマジックを観たことがある。
共振現象を利用したものかと思ったが、グラスが溶ける寸前まで熱して外側だけ急激に、内側をゆっくり冷却すると、あるタイミングで割れるらしい。

ネットで「機械的な共振現象を利用した機器」をキーにして検索してみた。
・時計やパソコンで使われてる水晶発振器(やセラミック発振器)は水晶(やセラミック)の機械共振使ってるし、精密器具の洗浄に使われる超音波洗浄機でも機械共振使っている。
・電子レンジではマイクロ波を発生させる原理の中で共振が利用されている。
・確率共鳴は、通常検出できないような微弱な信号に適度な雑音が加わるとある確率の下で反応が向上し感度よく検出されるようになる現象。磁気共鳴画像装置(MRI)は、組織内に豊富に存在する水素原子が強力な磁場の中に置かれ、共鳴磁気励起パルスによって励起されたときに発生する信号を検出して処理する。

「量子ゆらぎ」なんかも一種の共振現象らしい。
私は、アスペルガー老人です。あまり共感(共振)力はありません。
トホホのホ。