波(音と光)

物理基礎の「音と振動」では、気柱の共鳴やうなりを学びます。片方の端をふさいだ管の口を吹くと、中の空気が共鳴して音が鳴ります。閉じた端では空気が動けず、開いた端ではよく動くので、いちばん低い音では管の長さが波長の 4 分の 1 になります。

わずかに高さの違う 2 つの音を同時に鳴らすと、「ウワン、ウワン」と音が大きくなったり小さくなったりします。これがうなりで、1 秒あたりの回数は 2 つの振動数の差に等しくなります。吹奏楽部で音を合わせるとき、うなりがゆっくりになって消えたら、高さがそろった合図です。

物理の「音」の単元では、波が重なって強め合ったり弱め合ったりする干渉を学びます。ノイズキャンセリング機能のあるヘッドホンは、マイクで周りの騒音を拾い、山と谷が反対になった逆位相の音を出して騒音を打ち消します。電車や飛行機のように一定に続く低い音は打ち消しやすく、人の会話のように急に変わる音は苦手とされています。

塀の向こうの人の声は聞こえるのに、姿は見えません。波が障害物の裏に回り込む回折のためです。人の声の波長はおよそ数十 cm から数 m で、塀や建物の角と同じくらいの大きさなので、よく回り込みます。目に見える光の波長は 0.0004〜0.0008 mm ほどと音の 100 万分の 1 ほどしかなく、ほとんど回り込みません。

物理の「音のドップラー効果」では、音を出す物や聞く人が動くと、聞こえる音の高さが変わるしくみを学びます。救急車が近づくときは、前に出した波を追いかけながら次の波を出すので、波の間隔が詰まって高い音に聞こえます。遠ざかるときは間隔が広がり、低く聞こえます。

東京消防庁の研究報告によると、救急車の「ピーポー」は、1970 年の消防庁の通知で定められた音です。「ピー」は 960 Hz、「ポー」は 770 Hz で、0.65 秒ずつ鳴ります。秒速 20 m(時速 72 km)で走る救急車で計算してみます。ピーは、近づくとき約 1,020 Hz、遠ざかるとき約 907 Hz に聞こえます。

ドップラー効果は、天気予報にも使われています。気象庁の気象ドップラーレーダーは、雨粒に当たってはね返った電波の周波数のずれから、風で流される雨粒の動きをとらえます。2013 年 3 月には、全国 20 か所の気象レーダーがすべてドップラーレーダーになり、竜巻などの突風の監視に役立てられています。

この効果は、1842 年にオーストリアのドップラーが原理を発表しました。1845 年 6 月 3 日、オランダのボイス・バロットがこれを確かめました。ユトレヒトとマールセンの間を走る列車にホルン奏者を乗せ、耳のよい人たちに音の高さを聞き分けてもらったのです。彼はのちにオランダ王立気象研究所(KNMI)を創設しました。なお、音源が音より速く動くと、波が重なって衝撃波になります。

物理の「光」の単元では、光の屈折、分散、偏光、干渉などを学びます。光が水やガラスに斜めに入ると、進む向きが曲がります(屈折)。曲がり方は色によって少しずつ違うので、白い太陽の光は色ごとに分かれます。これが分散です。

虹は、空中の水滴がプリズムの役目をしてできます。名古屋市科学館の解説によると、水滴に入った太陽の光は屈折と反射をして、入ってきた向きと約 42 度の角度で戻ってきます。そのため虹は、太陽と正反対の点を中心にした半径約 42 度の円の上に、外側が赤、内側が紫の順で見えます。虹は太陽を背にして探すのが正解です。

光は横波で、揺れる向き(偏光)をもっています。大阪市立科学館の解説によると、水面に浅い角度で当たって反射した光は、ほとんどが横向きに揺れる光です。偏光サングラスは横向きの光を通さないので、水面のぎらつきが減り、水の中が見やすくなります。釣り道具の店で偏光サングラスが売られているのは、このためです。

液晶テレビやパソコンの液晶画面にも、偏光板が必ず使われています。偏光サングラスで液晶画面を見ながら頭を傾けると、ある角度で画面が暗くなります。水面の反射がいちばん強く偏光する角度(水面から約 37 度)には、物理学者ブリュースターの名前がついています。ブリュースターは、万華鏡を発明した人でもあります。