岸辺の波はなぜ怖い？「自由・固定端反射」【スマホで物理#10】

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ケン博士

サイエンストレーナーの桑子研です。スマホで科学を一緒に楽しみましょう。

09波の性質③　反射

#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（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）。

生徒

でも石じゃなくてゴムボールのようなものであれば、衝突後に波のように跳ね返ってくることもある！

そう思う人もいるでしょうね。しかし物体とは違う大きな特徴として、波には２種類の反射があり、ある反射では返ってくるときに、別の姿をして返ってくることがあります。そんなことゴムボールではありえませんよね。

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(じゆうたんはんしゃ)」

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。

自由端反射について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特徴です。波の振幅がA[m]だとすると、反射面の最大振幅は２A[m]と、２倍にもなります。これも大きな特徴です。台風などの波が高くなっているときに、波際に近寄ってはいけないというのは、これが原因としてあります。見た目の波よりも、波際では高い波となるためです。