台風の波が突然２倍になる理由——波の反射「自由端・固定端」の不思議【スマホで物理#10】
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
台風の日、「すごい波だ！」と見に行って、突然足をすくわれた——そんな事故のニュースを聞いたことはありませんか？実はこれ、波には「見た目よりもずっと高くなる瞬間がある」という性質が深く関わっています。今回は、波の反射という現象を通じて、その怖さと不思議さを一緒に見ていきましょう。
波の重ね合わせ、おさらい
#09では波の重ね合わせについて見ていました。２つの波が重なると、上下方向に足し算・引き算が行われるということでしたね。
例）山と山が重なった場合
今回は波の３つ目の特徴である、「反射」について見ていきましょう。
石と波、壁にぶつけるとどう違う？
石（物体）を壁に向かって投げてみると…石は壁に衝突し、「ガン」と音をたてて、壁の側にポトリと落ちます。場合によっては、石が割れてその場で落ちることもあるでしょう。
では、物体ではなく「波」を壁にぶつけるとどうなるのでしょうか。例えば、お風呂で波を起こして、浴槽の壁に波をぶつけてみましょう。
お風呂で水面に向かってチョップ！波を起こして見る
波は壁にぶつかると、・・・あら不思議！同じスピードで何事も無かったかのように跳ね返ってきます。この現象を波の反射といいます。
赤い線が波面、青い線が波の移動方向
波の場合は、石が壁にぶつかったときのように、壊れたり、消えて無くなったりすることはありません。波ははねかえってきます（実際は少しずつ振幅が小さくなって消えていきます）。ゴムボールだって壁に跳ね返る、と思うかもしれません。しかし波には、物体と大きく異なる点があります。それは、反射に２種類あり、ある反射では「別の姿」に変わって返ってくるということです。ゴムボールではありえないことが、波では起きるのです。
行きと帰りで違う人になる！？
それでは２つの反射について順番に見ていきましょう。
① そのままの形で返ってくる「自由端反射」
壁にぶつかる前の波を「入射波」、反射された波を「反射波」といいます。お風呂の例のように、山は山、谷は谷で、位相が変化せずに跳ね返ってくる反射を自由端反射といいます。自由端反射の様子を動画で見てみましょう。
いかがでしょうか。波の形がそのままの形で返ってくることがわかりますね。
自由端反射を起こすためのポイントは、反射する場所を自由に動けるようにしてあげることです。
少し見えにくいですが、紐付がついています。
このようにしておくと、ヒモが上下に自由に動くことができ、自由端反射を観察することができます。シミュレーションでも見てみましょう。
自由端反射では、反射面で振幅が激しくなるのも大きな特徴です。波の振幅がA[m]だとすると、反射面での最大振幅は２A[m]と、なんと２倍にもなります。ここで冒頭の話に戻りましょう。台風の日に波際へ近寄ってはいけないのは、まさにこれが理由のひとつです。沖から来た波が岸壁や護岸に反射するとき、入射波と反射波が重なって、見た目の波よりもはるかに高い波が突然押し寄せることがあります。「さっきまで大丈夫だったのに」という油断が、命取りになりかねません。物理の知識が、身を守ることに直結しているのです。
② 姿を変えて返ってくる「固定端反射」
今度は端を固定して動かないようにするとどうなるでしょうか。自由端反射ではヒモの端が自由に動けましたが、
次の写真のように、端をそのまま固定してしまいます。
ヒモではなくて、直接端をスタンドに止めます。
この状態で行った実験動画をご覧ください。
なんと「山」を送ると「谷」になって返ってきます。また逆に「谷」を送ると「山」になって返ってきます。
自由端反射と固定端反射の様子について、シミュレーションでも比べてみましょう。
※ 東京書籍のデジタル教科書についてくる、デジタル教材を使いました。
このように位相が180°ひっくり返る反射を固定端反射といいます。
様子が１８０°変わって返ってきた！
また固定端反射では、反射面に注目すると一瞬振幅が０になるという特徴があります。
これは、反射する際に媒質が固定されていて動けないため、変位が変化できないからです。自由端反射とは対照的な特徴ですね。
２つの反射、どこで使い分ける？
自由端・固定端の違いは、実は音の世界にも登場します。管楽器の「開管」と「閉管」がそれぞれ自由端・固定端に対応しており、楽器の音色や音の高さを決める仕組みと深く関わっています。波の反射を理解することは、音楽の仕組みを理解することにもつながっているのです。次回はこの２つの反射をさらに深く解釈していきます。お楽しみに！
次回に続きます。
#01 波でもっとも大切なある一つのこと
#02 波でつまずく２つのグラフ
#03-1 ５つの物理量
#03-2 確認問題 波の物理量とグラフ
#04 ２つ目の波「縦波」とは？
#05 縦波を横波で表す？
#06-1 横波から縦波に戻してみよう！
#06-2 確認問題 止まっている媒質はど〜れだ!?
#07 波の子供「素元波」
#08 素元波で回折を考えてみよう！
#09 波の重ね合わせの原理
#10 波の反射「自由・固定端反射」
#11 ２つの反射をどうやって解釈する？
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