明治の模型から最新アプリまで！「波」の正体をハチのダンスで解き明かす（横波・縦波・重ね合わせ等）
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
波（波動）という現象は、私たちの身の回りにあふれています。海の波、音、そして光。しかし、その正体は何かが動いているようでいて、実はその場にある媒質（ばいしつ）がどのように動いているのか、目で見てもなかなか捉えづらい不思議な現象です。
今回は、明治時代から現代のデジタル教材まで、波を視覚化する工夫の歴史と、その仕組みを深掘りしてみましょう。
明治の知恵「ゴールドスタイン波動模型」に学ぶ波の可視化
こちらは国立科学博物館に展示されていたゴールドスタイン波動模型です。波が伝わる様子を、機械的な仕掛けで目に見えるようにした非常に精巧な装置です。
この装置の側面にあるハンドルを回すと、本体内部にある金属製のらせん機構が回転します。それによって、ずらりと並んだ球付きの棒が、少しずつ違うタイミングで上下に動き、まるで波が右へと進んでいくように見えるのです。
この「少しずつタイミングをずらす」というのが波の本質である位相（いそう）の概念です。残念ながら展示品のため実際に動かすことはできませんでしたが、この装置が明治後期に製造されたという事実に驚かされます。当時の先生たちも、目に見えない波の動きをどうやって生徒に伝えるか、大変な苦労と工夫を重ねていたことが伺えますね。
デジタル教材で挑戦！ハチの動きで見る「横波」と「縦波」
現代では、コンピュータを使ってより自由に波を表現できます。私はScratchを使って、横波と縦波の違いを「ハチ」の動きで再現するデジタル教材を作ってみました。
ハチが教える「横波」の正体
まずは、私たちがよくイメージする波の形、横波です。
たくさんのハチが並んでいますが、個々のハチに注目してください。彼らはただ上下に振動しているだけです。しかし、隣のハチが動くタイミングをほんの少しずつ遅らせることで、全体として波の形が右に伝わっていくように見えます。
https://scratch.mit.edu/projects/205914073/
一瞬の静止で理解する「縦波」の仕組み
次に、音波などがこれにあたる縦波（疎密波）です。
縦波は進行方向と同じ向きに媒質が揺れるため、非常に見分けがつきにくいのが難点です。そこでこの教材では、媒質となるハチが右側にずれているときは右を向き、左側にずれているときは左を向くように設計しました。
ストップボタンで動きを止めてみると一目瞭然です。右を向いているハチが密集している場所と、左を向いているハチが離れていく場所……これが密（みつ）と疎（そ）の状態です。 さらに、縦波を横波のように表示するボタンも付けました。数学的な処理（写像）によって、複雑な縦波も視覚的に整理して理解することができます。
動画で見る！波の不思議な性質
シミュレーションだけでなく、実際の現象を観察することも大切です。波には、ぶつかった時に跳ね返る反射や、重なり合う干渉など、面白い性質がたくさんあります。さまざまな実験動画を通して、波の世界をさらに深掘りしてみましょう。
自由端反射
壁に縛り付けず、自由に動ける端で波が跳ね返る様子です。
固定端反射
壁にガッチリ固定された端で波が跳ね返る様子。波の形がひっくり返るのがわかります。
重ね合わせの原理
2つの波がぶつかったとき、消えたり大きくなったりする不思議な現象です。
縦波と横波
スリンキー（バネ）を使って、実際の波の動きを比較しています。
縦波とオシロスコープ
目に見えない音の波（縦波）を、波形として画面に映し出します。
うなり
わずかに高さの違う2つの音が重なるときに聞こえる「ウォンウォン」という現象です。
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