「振動ってなんだ？」がわかる基本のキホン──周期・振動数・自由振動と強制振動の世界

Yusuke Yoshihara
4月28日
読了時間: 4分

更新日：5月15日

はじめに

「配管がカタカタ揺れる」「機械がブルブル震える」──現場で感じるそんな“振動”が、実は理屈で説明できる現象だと知っていましたか？

この記事では、「振動ってそもそも何なのか？」をゼロから解説。周期や振動数ってどんな意味？“自由振動”と“強制振動”の違いは？そんな疑問に、数式と日常例でやさしく答えていきます。

📌この記事はこんな人におすすめ振動を“感覚”ではなく“数値”で捉えたい現場での揺れを理屈で理解したい高校物理から離れて久しいけど、もう一度ちゃんと学びたい

1. 振動とは何か？──基本の定義から

振動とは、ある物理的な量が，ある一定値を中心に周期的に値を変えることです。

もっと身近な言葉でいえば、「動いても元の位置に戻ってくるような動き」が振動。たとえば：

ぶらんこ：前後に揺れて、同じ位置を繰り返し通る
ギターの弦：はじいたあとブルブルと揺れながら音を出す
配管の揺れ：ポンプが動くたびに一定の振動が伝わる

これらはすべて、「時間とともに繰り返される運動」です。

2. 周期・振動数・周波数の関係

振動を語る上で避けて通れないのがこの3つの言葉です。

用語	意味	単位
周期（T）	1回の振動にかかる時間	秒（s）
振動数あるいは周波数（f）	1秒間に何回揺れるか	ヘルツ（Hz）

この2つはこんな関係式でつながります：

つまり、1回の揺れに時間がかかればかかるほど、1秒あたりの回数は減るということ。

📌例：1秒で1往復する振動 → 周期 T = 1s、周波数 f = 1Hz

📌例：0.01秒で1往復する → 周期 T = 0.01s、周波数 f = 100Hz

この関係を知っているだけで、「揺れの速さ」が数字で理解できるようになります。

3. 自由振動・強制振動・自励振動って？

次に、どんな原因で揺れているのか？によって、振動は3つに分類されます。

✅ 自由振動（じゆうしんどう）

一度力を加えて「そーっと」と離したら、自分の性質で勝手に揺れ続けるもの。

例：

ギターの弦を弾いた後の音
工場で停電後に揺れ続ける配管

これは外力が働かない状態での“固有の揺れ”です。

✅ 強制振動（きょうせいしんどう）

外部からずっと力を加えられて揺れている状態。

例：

モーターの回転が伝わって揺れている配管
エンジンの振動が車体に伝わる

外からの「周期的な力」に合わせて揺れているのが強制振動です。

✅ 自励振動（じれいしんどう）

外からの力が“振動を自ら作り出す”ような特殊なパターン。

例：

特定のバルブがカタカタ震える（流れの中で振動が増幅される）
航空機のフラッター

4. 数式で見る“揺れ”のしくみ

物理では、シンプルな振動はバネと重りのモデルで説明します。

📐モデル：バネに吊るされた質量

基本式：

m：重さ（質量）
k：バネの硬さ（剛性）
x：揺れの変位
：加速度

この式から、振動の固有振動数（自然に揺れる速さ）は次のように計算できます。

ごめんなさい。数式って抵抗ある方も多いですよね。

私もそうです。

しかし，この式「だけ」は頭の片隅に残しておいてください。

そして，この式の示す意味として，次の2個だけセットにしておいてください。

振動成分とは，バネの硬さ（k）と重さ（m）によって決定する。

要するに…

バネが硬い（剛性が高い） → 早く揺れる（高周波）
重りが重い（質量が大きい） → ゆっくり揺れる（低周波）

🎯この式は配管にも応用できます。振動を見たとき「質量」「剛性」のバランスを見ることで、どこが弱いのかが見えてきます。

5. 配管に現れる振動とその見かた

たとえば、以下のような配管の状態を考えてみましょう。

📌 ケース1：サポートが弱くてグラつく

剛性が小さい → 固有振動数が下がる
モーターの低周波振動と一致して共振が起きやすい

📌 ケース2：保温材の中でサポートが外れている

一見問題なさそうでも、中で「自由振動」している可能性あり
「カタカタ音が止まらない」「夜にだけ揺れる」などの現象はこれが原因かも

📌 ケース3：蒸気配管でバルブ周辺が異音

流体の力が一定周期で振動を生み出している（自励振動の可能性）
キャビテーション・乱流・圧力変動などが関与

💡 振動は“揺れている場所”より、“揺らしている力”を見るのが本質です。

まとめ　

振動とは、「時間とともに繰り返される動き」。そしてそれは、数値や式で予測・分析できる現象です。

🔑 この記事の3つのポイント：

振動は「周期」や「振動数」で定量的に捉えられる
振動のタイプ（自由／強制／自励）は原因の見極めに重要
振動成分とは，バネの硬さ（k）と重さ（m）によって決定する

振動-No.2