機械與電學振動

機械-電學類比(mechanical-electrical analogy)

兩個截然不同的物理裝置——彈簧上彈跳的重物,與在迴路裡來回流動的電流——竟然遵守完全相同的方程。這個類比就是兩者之間的對照辭典,使得在一個世界裡證明的任何事,自動在另一個世界裡也成立。它是應用數學中最有用的巧合之一。

把兩條方程並排。機械:m x'' + c x' + k x = F(t)。電學:L q'' + R q' + (1/C) q = E(t)。逐項對應得到辭典:質量 m 對應電感 L,阻尼 c 對應電阻 R,彈簧勁度 k 對應電容倒數 1/C,位移 x 對應電荷 q,速度 x' 對應電流 q',外力 F 對應外加電壓 E。無論你從哪個符號出發,都能把整個問題改寫成另一種語言,而每個數字的角色絲毫不變。

正因如此,工程師會搭電路來模擬機械系統(比搖晃一座真橋更便宜也更安全),而自然頻率、阻尼比、共振、品質因數這些詞在兩個領域裡意思相同。對線性模型而言這個類比是精確的:只要兩個系統都能由其常係數二階方程妥善描述,類比就準確成立。

測試台上 5 Hz 的機械共振,可以用一個 RLC 電路重現:只要選擇 L、R、1/C 使 L q'' + R q' + (1/C) q 與彈簧-質量-阻尼的數值相符,電路就會在同樣的 5 Hz 達到峰值。

同樣的方程,同樣的行為:電學模型可以代替機械模型。

還有第二套同樣有效的辭典(力-電流類比),其中質量配對的是電容而非電感。兩者沒有誰更正確,只是適合不同的網路拓撲。註明你採用哪一套慣例以免混淆。

又稱
spring-mass / circuit dictionaryelectromechanical analogy機電類比彈簧質量與電路對照表