(57)【要約】【課題】連成振動系の実験の精度の向上を図るとともに、振動系に関する各種パラメータの変更を簡便に行えるようにして様々な実験を可能とする。【解決手段】ビーム２４に４個のクランパ２６を移動可能に取り付け、各クランパ２６が保持するＵ字受金具２８によりトーションバー３０を支承する。そして、近接した２個のクランパ２６で挟む位置において、振子固定金具３１により振子３３、３５をそれぞれトーションバー３０に固定する。ネジ２７、３２の締め付けを緩め、クランパ２６及び振子固定金具３１をビーム２４に沿って移動させることにより、トーションバー３０の有効長を自在に調節できる。また、トーションバー３０自体も任意の材質、寸法のものに交換できる。【選択図】  図１
2004219676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに所定間隔離間し、それぞれ該離間方向と略直交する方向に揺動自在に設置された少なくとも２個の振子と、該少なくとも２個の振子を連結するトーションバーと、を備えることを特徴とする連成振動実験器。
【請求項２】
前記振子と前記トーションバーとの連結部の位置を、該トーションバーの延伸方向に移動可能とするための位置調整機構を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の連成振動実験器。
【請求項３】
略水平に架設されたビームと、該ビームの延伸方向に移動可能であるトーションバー支承部と、該トーションバー支承部により前記ビームの延伸方向と同一方向に延伸した状態で支承される前記トーションバーに対し、前記振子を移動可能に固定する振子固定部と、を備え、前記トーションバー支承部及び振子固定部により前記位置調整機構が構成されることを特徴とする請求項２に記載の連成振動実験器。
【請求項４】
前記トーションバー支承部は、前記振子固定部を挟んで２個が一対であることを特徴とする請求項３に記載の連成振動実験器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、連成振動を実験的に学習する際に使用される連成振動実験器に関し、更に詳しくは、連成振子を用いた連成振動実験器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、２つ以上の振動子が相互に作用を及ぼしながら振動する現象を連成振動という。連成振動は力学の基本概念の１つであり、自然界の様々な現象を理解する上で重要な振動現象である。従って、大学や高等専門学校のような専門的な教育現場において、理工系の学生がこうした振動現象を定量的に測定し、その結果を考察することにより理解を深めることが重要である。連成振動実験器はこうした際に利用されるものである。
【０００３】
図６は、従来用いられている一般的な連成振動実験器１０の概略斜視図である（例えば特許文献１、非特許文献１など参照）。この実験器１０は２連成の振動系のものであって、図示しない支持体に対して、ナイフエッジによる支点１２、１４により、第１、第２なる２本の振子１１、１３が揺動自在に懸装されている。第１及び第２振子１１、１３は円筒コイルばね１５を介して互いに連結されている。実験を行う際には、例えば第１振子１１を図中のＡ方向に揺動させると、その振動エネルギーが円筒コイルばね１５を経て第２振子１３へと伝搬され、それによって第２振子１３が揺動する。このときの振子１１、１３の振幅や位相を計測し、それらからそれぞれの角振動数を計算したり、或いは振動エネルギーが移動するのに要した時間を計測したりする。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭５９−２３１５７８号公報（図２）
【非特許文献１】
「剛性連成振子  ＰＴ−６０」、５００号（教育用理化学器械）総合カタログ２００１−２００２、ｐ．２３０、島津理化器械株式会社
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の連成振動実験器において、円筒コイルばね１５は軸に平行な方向に伸縮するのみならず、軸に直交又は斜交する方向にも撓んだり捻れたりする。また、ばね１５のリング間での衝突や摩擦も起きる。これら要因は全て振動エネルギーの損失を生じるため、これが計測の際の誤差の一因となり得る。また、振動解析を行うにはパラメータの一つとしてばね定数が必要であるが、円筒コイルばねのばね定数の計算は複雑である上に、高い精度で算出することは非常に困難である。更に別の問題として、上記のような従来の連成振動実験器では、実験の自由度が低いため、連成振動系の各種パラメータを変更した状態での計測が非常に困難である。
【０００６】
本発明はかかる課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、取り扱いが容易でありながら精度の高い計測が可能である連成振動実験器を提供することにある。また、本発明の他の目的とするところは、連成振動系の各種パラメータの変更が容易で、バリエーションに富んだ計測が可能である連成振動実験器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段、及び効果】
上記課題を解決するために成された本発明に係る連成振動実験器は、互いに所定間隔離間し、それぞれ該離間方向と略直交する方向に揺動自在に設置された少なくとも２個の振子と、該少なくとも２個の振子を連結するトーションバーと、を備えることを特徴としている。
【０００８】
周知のように、トーションバーは捻り変形によるばね作用を利用するもので、断面が例えば円形（中空又は中実）、矩形、六角等の棒状体である。例えば振子が２個である場合には、このトーションバーの２箇所に振子がそれぞれ固定される。一方の振子をその固定部を支点としてトーションバーの延伸方向と直交する方向に揺動させると、振動エネルギーがトーションバーを伝播して他方の振子に移動する。そして、他方の振子が同一方向に揺動する。
【０００９】
トーションバーはその変形の態様がほぼ捻り方向のみに限定されるため、振動エネルギーが伝播する途中で損失が少なく、高精度な計測が行える。また、寸法や弾性係数からばね定数を高い精度で且つ比較的簡単に求めることができるので、振動の解析精度も向上する。更にまた、構造や動きが単純であるので、学習者が直感的に理解し易く、実験器としての学習効果が高い。
【００１０】
本発明に係る連成振動実験器の好ましい構成として、前記振子と前記トーションバーとの連結部の位置を、該トーションバーの延伸方向に移動可能とするための位置調整機構を更に備えることができる。
【００１１】
具体的な一態様としては、略水平に架設されたビームと、該ビームの延伸方向に移動可能であるトーションバー支承部と、該トーションバー支承部により前記ビームの延伸方向と同一方向に延伸した状態で支承される前記トーションバーに対し、前記振子を移動可能に固定する振子固定部と、を備え、前記トーションバー支承部及び振子固定部により前記位置調整機構が構成されるものとすることができる。
【００１２】
この構成では、位置調整機構により振子の固定位置を容易に変更することができるので、連成振動系の重要なパラメータの一つである、両振子を連結するトーションバーの有効長を適宜に且つ自由に変更することができる。また、トーションバー自体の交換も容易であるので、材質や寸法（断面の径や断面積等）の相違するものに交換することができる。更にまた、１本のトーションバーに２個の振子を装着するのみならず、３個以上の振子を装着することも容易である。従って、２連成のみならず、３連成以上の連成振動の実験も容易に行うことができる。
【００１３】
また逆に１本のトーションバーに１個のみの振子を装着し、そこから離れた位置のトーションバー支承部においてトーションバーを固定すれば、連成振動系ではなく、振子に取り付けた重錘の慣性モーメントによる捻れ振動系を構成することができる。これにより、そのトーションバーのヤング率等の特性の測定を行うことが可能となる。
【００１４】
なお、トーションバーの横剛性があまり大きくない場合、前記トーションバー支承部を、前記振子固定部を挟んで２個一対で設けることが好ましい。これにより、振子の揺動が安定し、計測の精度も向上する。
【００１５】
以上のように、本発明に係る連成振動実験器によれば、従来に比べて、精度の高い実験が簡単に行える。また、連成振動系（及び捻れ振動系も）の各種パラメータを容易に且つ広範に変更することができる。その結果、教育現場における実験レベルとして、例えば高校生程度の初歩的な現象観察を目的とするものから、理系大学院生程度の高度な解析を要する実習レポートの作成等を目的とするものまで、非常に広い範囲で利用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る連成振動実験器の一実施例を、図１〜図５を参照して説明する。図１は本実施例の連成振動実験器２０の外観斜視図、図２は図１中の矢印ａの方向から見た部分的な上面図、図３は図２中の矢視線ｂ−ｂ’での断面図である。
【００１７】
この連成振動実験器２０では、水平を確保するために高さが調節自在である４本の脚部２２に支持された台板２１の両端に、一対の支柱２３が立設されている。これら２本の支柱２３の上端には、ネジ２５により取り外し可能な状態で、ビーム２４が水平に架設されている。この架設状態でのビーム２４の断面は◇形状である（図３参照）。ビーム２４の延伸方向の任意の位置には、任意の個数のクランパ２６を装着することが可能であるが、基本的な構成としては、図１に示すように、近接した２個を一対とし、二対４個のクランパ２６をそれぞれクランパ固定用ネジ２７でビーム２４に固定する。このクランパ固定用ネジ２７の締付けを緩めれば、クランパ２６はビーム２４に沿って任意の位置に移動が可能である。
【００１８】
各クランパ２６には、上面がＵ字状に窪んだＵ字溝２８ａに形成されているＵ字受金具２８が、金具固定用ネジ２９により取り外し可能に固定されている。この４個のＵ字受金具２８はビーム２４の延伸方向に沿って略一直線上に並んだ状態となっており、それら４つのＵ字溝２８ａによりトーションバー３０を水平に支承する。トーションバー３０は例えばφ２．０ｍｍの円柱棒体であり、Ｕ字溝２８ａの溝径はそれよりも一回り大きなφ３．５ｍｍとしている。従って、僅かな範囲ではあるがＵ字溝２８ａ内でトーションバー３０は移動自在であり、両者の接触面積は狭いので摩擦は小さく、ここでの振動エネルギーの損失を非常に小さくすることができる。
【００１９】
下端に近い位置にそれぞれ重錘３４、３６を装着して成る第１及び第２振子３３、３５の上端には、それぞれ振子固定金具３１が設けられている。振子固定金具３１は上面に深い縦溝を有し、該縦溝内に突出するように前方から固定用ネジ３２が螺設されている。この振子固定金具３１の縦溝に上からトーションバー３０を嵌め込み、固定用ネジ３２を締め付けることによって、振子３３、３５の上端がトーションバー３０に固定される。このトーションバー３０と固定用ネジ３２との接触部付近が、振子３３、３５が揺動する際の支点となる。
【００２０】
上述したようにクランパ２６はビーム２４に沿って任意の位置に移動自在であるが、好ましくは、図１及び図２に示すように、振子３３、３５は近接して取り付けられた２個のクランパ２６で挟まれるように配置される。これにより、振子３３、３５の支点を挟んだ両側の比較的近い位置で、トーションバー３０がＵ字受金具２８により支承されることになる。ここで使用されるトーションバー３０は断面積が小さく横剛性があまり高くないが、１つの支点を２個のＵ字受金具２８で両側から支承することにより、振子３３、３５の揺動が不安定になることを防止することができる。
【００２１】
第１及び第２振子３３、３５の基本的な揺動の方向は、トーションバー３０の延伸方向Ｂと直交するＡ方向である。両振子３３、３５の直下の台板２１上には、このＡ方向に、上記のような振子３３、３５の揺動の振幅を計測するためのスケール３７が取り付けられている。振子３３、３５はビーム２４及びトーションバー３０の延伸方向Ｂにスライド移動が可能であるから、スケール３７を固定しているネジ３８を緩めることにより、スケール３７も同様にＢ方向に移動可能である。
【００２２】
本実施例の連成振動実験器２０を用いて実験を行う際には、一方の、例えば第１振子３３を図に示すＡ方向に揺動させる。すると、この振動エネルギーが支点を介してトーションバー３０に伝播し、トーションバー３０を経て他の支点から第２振子３５に伝播する。これにより、第２振子３５がＡ方向に揺動し始める。この振子３３、３５の揺動の振幅をスケール３７で計測したり、両振子３３、３５の揺動の位相差を計測したりする。
【００２３】
クランパ２６はビーム２４の任意の位置に移動が可能であるとともに、振子固定金具３１はトーションバー３０の任意の位置に移動が可能であるので、両振子３３、３５を連結するトーションバー３０の有効長を任意に変更することができる。また、トーションバー３０はＵ字受金具２８のＵ字溝２８ａに載っているだけであり、固定用ネジ３２を緩めるだけで振子固定金具３１からトーションバー３０を引き抜くことができる。従って、トーションバー３０を材質や寸法、断面形状等が相違するものに容易に交換することができる。
【００２４】
例えば、断面形状が長方形状であるような帯状のトーションバーを用いる場合、その断面の短辺がＵ字受金具２８のＵ字溝２８ａの底に接触するようにトーションバーは装着される。この場合、トーションバーとＵ字溝２８ａとの摩擦はきわめて小さくなり、振動エネルギーの損失も殆ど生じない。従って、高精度の計測を行うのに非常に有効である。もちろん、それ以外の任意の断面形状、寸法、材質のトーションバーを使用できることは明らかである。
【００２５】
更にまた、図１は２連成の構成であるが、ビーム２４には可能な範囲で任意の個数のクランパ２６を取り付けることができるから、例えば、一対のクランパと１個の振子の組を追加して取り付けさえすれば、３連成振子を構成することができる。もちろん、必要に応じてそれ以上の複数連成の構成も可能である。
【００２６】
なお、振子３３、３５に取り付けられる重錘３４、３６の位置は上下にスライド移動が可能であるとともに、取り外して他の重量のものに交換することもできる。これによって、振動系の重要なパラメータの一つである慣性モーメントも、容易且つ自由に変更することができる。
【００２７】
更にまた、この実験器２０は、連成振動系以外に捻り振動系の実験にも利用することができる。図５は、捻り振動系の実験用に変更した実験器２０’の構成を示す外観斜視図、図４は上記図３に相当する断面図である。
【００２８】
ビーム２４の一方の端部（図５では左端部）近くに１個のクランパ２６を装着し、そのクランパ２６には、上記のようなＵ字受金具２８に代えて図４に示すようなトーションバー固定金具４１を取り付ける。このトーションバー固定金具４１は振子固定金具３１と同様に、固定用ネジ４２を螺入することによってトーションバー３０を挟み込んで固定するものである。従って、この固定用ネジ４２とトーションバー３０との接触点近傍が、トーションバー３０の固定点となる。
【００２９】
一方、ビーム２４の他端部側の構成は、図１の２連成振子の構成と同じである。従って、振子は第２振子３５のみの構成となる。この構成において、第２振子３５を図５に示すようにＡ方向に揺動させるとき、その揺動は上記固定点を支点とするトーションバー３０のばね性に依存する。従って、揺動の振幅の状態を計測し、慣性モーメント等のパラメータを用いて計算を行うことにより、トーションバー３０のヤング率等の特性を求めることができる。このように本実施例による連成振動実験器２０は、容易に捻り振動系の実験器に変更することができる。
【００３０】
なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨に沿って適宜変形や修正を行えることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る連成振動実験器の一実施例を示す外観斜視図。
【図２】図１中の矢印ａの方向から見た部分的な上面図。
【図３】図２中の矢視線ｂ−ｂ’での断面図。
【図４】捻れ振動系の実験を行う場合の、図３に相当する断面図。
【図５】本実施例の連成振動実験器を捻れ振動系の構成に変更した場合の外観斜視図。
【図６】従来の連成振動実験器を示す斜視図。
【符号の説明】
２０…連成振動実験器
２１…台板
２２…脚部
２３…支柱
２４…ビーム
２５、３８…ネジ
２６…クランパ
２７…クランパ固定用ネジ
２８…Ｕ字受金具
２８ａ…Ｕ字溝
２９…金具固定用ネジ
３０…トーションバー
３１…振子固定金具
３２、４２…固定用ネジ
３３、３５…振子
３４、３６…重錘
３７…スケール
４１…トーションバー固定金具
【図１】
2004219676.tif 000003
【図２】
2004219676.tif 000004
【図３】
2004219676.tif 000005
【図４】
2004219676.tif 000006
【図５】
2004219676.tif 000007
【図６】
2004219676.tif 000008