
「質塊彈簧系統」是基礎「振動學」中,入門的課程單元之一。本單元來探討,如何計算求得「質塊彈簧系統」的「自然頻率」(natural
frequency)?
如圖示,以一個「質塊」吊掛在「彈簧」的下方,如果,對「質塊」施予外力,「質塊」就會來回振盪,可以觀察「質塊」的「位移」運動狀態。
在先前單元:【什麼是「阻尼」(damping)?】,對這個「質塊」往下拉一個距離,然後釋放開「質塊」,由「質塊」來回的振盪現象,探討說明了甚麼是「阻尼」(damping)。不同阻尼,「質塊」振盪的「振動週期」,有相同的現象,這和「自然頻率」相關,本單元,將會解釋說明此現象的原因。
由圖示可知,「質塊」來回振盪,其「位移振幅」完全沒有衰減,也就是「無阻尼」狀態。當「有阻尼」時,「質塊」的來回振盪就會有衰減的現象。同時,也可以觀察到,「質塊」來回振盪有穩定的「振動週期」,Tn,又知道「週期」和「頻率」為倒數關係,所以,「質塊」的「震盪/振動頻率」是fn =1/Tn,其中,fn就是系統的「自然頻率」。
有趣的是,當對這個「質塊」往下拉不同的距離時,「質塊」的振盪幅度會不同,但是,「振動頻率」fn是不會改變的。因為,fn是此「質塊彈簧系統」的「自然頻率」,而且,系統的「自然頻率」是不會受外力影響,而改變的。
接下來,就來討論如何求得此「質塊彈簧系統」的「自然頻率」,首先,對此「質塊彈簧系統」的「實體結構」,進行「數學模型化」(mathematical...