救急車の音はなぜ変わる？スクラッチで解き明かすドップラー効果の正体

サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。

みなさんは、道を歩いているときに救急車が通り過ぎ、「ピーポー」という音の高さが、目の前を過ぎた瞬間にガクンと下がったように感じたことはありませんか？

この不思議な現象はドップラー効果と呼ばれています。名前は聞いたことがあるけれど、仕組みまではよく分からないという方も多いかもしれませんね。実はこれ、音の正体である「波」が、音源や私たちの動きによって縮んだり伸びたりすることで起こる、とってもダイナミックな現象なのです。

今回は、このドップラー効果を五感で感じ、直感的に理解できるような教材やシミュレーターをご紹介します。実際に実験で調べる場合は、こちらの記事も併せてご覧ください。

救急車のサイレンが変わる瞬間を再現！スマホで楽しむ驚きの科学実験（ドップラー効果）

身近な音で体験！電車から聞く踏切の音

ドップラー効果は、私たちの日常生活の中に溢れています。例えば、電車に乗っているときや、逆に走り去る電車を外から眺めているときが絶好の観察チャンスです。まずは、こちらの動画をご覧ください。実際に電車の外から聞いた場合と、電車の中から聞いた場合の踏切音の違いを記録したものです。ドップラー効果によって、音程が鮮やかに変化するのが手に取るようにわかりますよ。

音源が動くと波はどうなる？視覚で捉える仕組み

ドップラー効果がなぜ起こるのか？その謎を解き明かすために、プログラミング学習ソフトのスクラッチ（Scratch）で動く教材を作ってみました。まずは、音を出しているもの（音源）自体が動くケースです。救急車が走りながら音波を出していく様子を、断面図として俯瞰してみましょう。以下のリンクや埋め込み画面から、実際に動かして試すことができます。

こちらから試すことができます。

もし音源が止まっているなら、波の幅（波長）は前も後ろも同じ長さです。

しかし、音源が左に動くとどうなるでしょうか。音源が自分が出した波を追いかけるような形になるため、進行方向では波がギュッと押しつぶされて短くなります。逆に後ろ側では、波が置いていかれるため、引き伸ばされて長くなってしまいます。

波が短くなると高い音に、波が長くなると低い音に聞こえるという性質があるため、救急車が遠ざかるときには音が低く聞こえるのですね。

逆に右側に動く様子を見ると、波長が短くなり、高い音が聞こえる様子がよく分かります。

言葉や静止画では説明しにくい「動きのある現象」も、アニメーションにすることで、驚くほどすっと頭に入ってくるはずです。

自分が動く場合は？観測者目線のドップラー効果

実は、もう一つ理解しにくいのが観測者が動く場合のドップラー効果です。この場合、空気中を伝わる音の波長自体は変化していません。それなのに、なぜ音が変わって聞こえるのでしょうか。

その答えは「１秒間に受け取る波の数」が変わるからです。これを説明するために、観測者目線のシミュレーターも作成しました。ぜひ体験してみてください。

YouTubeでもその様子をご覧いただけます。

観測者が静止しているときに、５個の音波を受け取っているとしましょう。

しかし、観測者が自ら音の方へ進んでいくと、向かってくる波を次々とキャッチすることになり、同じ時間で８個の音波を受け取ることになります。たくさん波を受け取るということは、振動数が増えるということ。つまり音程が高くなって聞こえるというわけです。

これは、海で立ち止まっているときよりも、波に向かって泳いでいくときの方が、次々と波が体にぶつかってくる感覚に似ていますね。

授業や自学自習にぜひご活用ください！

この教材は、授業で先生が説明しながら使いやすいように設計しています。速度の設定も「静止」「右への移動」「左への移動」の３パターンを簡単に切り替えられます。物理の現象は、数式だけで追うと難しく感じてしまいますが、こうした視覚的なツールを使うことで「なるほど！」という感動に変わります。

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