動きと振動

物の固有振動数と同じリズムで力を加え続けると、揺れはどんどん大きくなります。これが共振です。ブランコをこぐのは共振の利用ですが、機械や建物では、共振が壊れる原因にもなります。

アメリカのタコマナローズ橋は、1940 年 7 月 1 日に開通しました。その 4 か月後の 11 月 7 日、強い風の中で大きくねじれながら揺れ、崩れ落ちました。ワシントン州交通局の記録では、当日の風は時速 42 マイル(秒速約 19 m)ほどで、台風のような暴風ではありませんでした。

橋は開通の日から、上下に波打つように揺れていました。ワシントン大学のファーカーソン教授は、学生と 200 分の 1 の模型を作り、風洞で対策を調べていました。崩れた原因は、風で橋がねじれると風の当たり方が変わり、ねじれがさらに大きくなるしくみ(自励振動)でした。いまも長い橋の設計では、模型を使った風洞の実験で、風による揺れを確かめています。

高い建物や塔は、地震や風で揺れます。東京スカイツリーの中心には、直径約 10 m の空洞があります。そこに、高さ 375 m の鉄筋コンクリートの柱(心柱)が、本体と切り離して立っています。重い心柱と本体が別々に揺れ、動きが反対向きになると揺れが打ち消し合います。

政府の広報誌によると、この「心柱制振」で地震の揺れを最大約 50% 減らせます。2011 年の東日本大震災では、建設中の最上部が 4〜6 m 横に揺れたと推定されていますが、被害はありませんでした。名前は、五重塔の中心に立つ柱「心柱」にちなんでいます。

反対に、揺れをわざと作る機械もあります。スマートフォンのバイブレーションは、片寄ったおもりをモーターで回したり、ばねにつけたおもりを固有振動数で揺らしたりして振動を生みます。後のやり方は共振を利用して、小さな電力ではっきりした振動を作ります。

モーターやペダルの回転を、思いどおりの速さや向きの動きに変えるのが機構学です。歯車、チェーン、カム、リンク(棒をつないだしくみ)を組み合わせます。自転車も車のワイパーも、機構のかたまりです。

自転車のギアは、歯の数の比で回転が変わります。前のギアが 48 歯、後ろが 16 歯なら、ペダル 1 回転で後輪は 3 回転します。27 インチの車輪(1 周約 2.15 m)なら約 6.5 m 進み、1 秒に 1 回こげば時速約 23 kmです。

日本の機構の名作に、「からくり儀右衛門」と呼ばれた田中久重が 1851 年に作った万年時計(万年自鳴鐘)があります。1 年に 1 度ゼンマイを巻くだけで、季節で長さが変わる江戸時代の時刻や、曜日、月の満ち欠けまで自動で表示します。機械遺産 第 22 号で、国立科学博物館が所蔵しています。

久重は、矢を取って弓につがえ、的を射るからくり人形「弓曳き童子」も作りました。こちらも機械遺産で、人を楽しませる機械やロボットのルーツの一つとされています。