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とても身近な波動。「横波」の実例10選

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本記事は、10 Best Examples of Transverse Waves In Real Life
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約5分40秒

波動は、1つまたは複数の量の動的な撹乱を伝播するものとして説明することができます。波動の科学的研究は17世紀までさかのぼりますが、その概念はもっと前から存在していました。このトピックを深く掘り下げると、分析できる波の形や形態がたくさんあります。その多くは同じ挙動を示しますが、中にはその性質によって区別できる波もあります。

 

波動は、ある特定の媒質の中でどのように動くかによって、「横波」と「縦波」の2種類に分類されます。この記事では、横波に焦点を当てます。

 

横波とは?

波をイメージするとき、山と谷のある曲がりくねった線を思い浮かべるのではないでしょうか。横波は、まさにそのような波です。横波とは、波の進行方向に対して垂直に振動する波のことです。

 

横波には、電磁波と機械波があります。光や電波のような電磁波は、媒質を介さずに伝わります。一方、機械波は、媒質を伝わって移動する擾乱です。機械波には縦波と横波がありますが、電磁波は常に横波です。

 

横波は通常、弾性固体で発生し、固体粒子が初期位置から離れて変位し、波の伝播に直交する方向に振動します。

 

この波の簡単なデモンストレーションを、ロープを上下に速く動かすことで作り出すことができます。ロープが上下に動くと、山と谷ができます。隣り合う2つの山や谷の間の距離が横波の波長となります。

 

ロープの中の粒子は波に沿って移動しているわけではなく、エネルギーが媒質(この場合はロープ)を通して左から右へ伝わるときに上下に移動しているだけです。この現象をよりよく説明するために、日常生活で目にする横波の良い例をいくつか挙げてみます。

 

10. ギターの弦の振動

形態:機械波

 

ギター、バイオリン、ピアノなど、あらゆる弦楽器には、弾くと振動する弦が張ってあります。この弦の振動が音を生み出します。音は、振動するバネの周波数に依存し、その周波数は3つのパラメータに依存します:

 

・弦の長さ
・弦の張力
・弦の単位長さあたりの質量

 

ギターの弦の振動は横波ですが、発生する音は縦波です。音波では、波が動いている方向と同じ方向に粒子が動きます。

 

9. 水面の波紋

形態:表面波

 

外部の物体による撹乱によって、隔てられた小さな水域に形成される波紋は、横波の性質を持っています。波紋が水面に沿って球面外方向に伝播するとき、水の分子は上下に振動します。

 

つまり、水の波は水平方向に伝播し、その粒子は波(波紋)の伝播方向に対して90度振動します。

 

羽を水面に落とし、羽から数メートル離れたところに石を落とすことで、それを視覚化することができます。石が当たったところから波紋が生まれ、円形に外側に移動していきます。この波紋に羽が触れると、羽は上下に動きます(波紋の動きと垂直な方向に動く)。

 

8. ガンマ線

原子核からのガンマ線放射のイメージ図

 

形態:電磁波

 

ガンマ線は、電磁波の中で最もエネルギーが大きく、波長が小さい波です。雷、核爆発、放射性物質の崩壊によって発生します。宇宙では、パルサー【秒またはミリ秒の短い周期で電波を放射する電波天体】、中性子星、ブラックホール、超新星爆発など、最もエネルギーが高い天体から発生します。

 

これらの電波は、腫瘍細胞のDNAを破壊することによって体内の癌を治療するために使われることもあります。しかし、電離放射線であるため、取り扱いには十分な注意が必要です。例えば、ガンマナイフ放射線治療では、特殊な装置を用いて、200本近い極小の放射線ビームをサブミリメートル単位の精度で腫瘍細胞などに集中させます。

 

7. スタジアムでの人間の波

形態:機械波

 

スタジアムで試合を観戦したとき、観客が「ウェーブ」を披露しているのを見たことがあるでしょうか?人間の涙はそれに近いものです。連続した列に座っている観客が一時的に立ち、腕を上げ、叫び、そしていつもの座った姿勢に戻るという、満員のスタジアムで達成される異時性のリズムのことです。

 

遠くから見ると、観客が席から離れないにもかかわらず、立っている観客の波が観客席の中を移動しているように見えます。

 

最大のウェーブは、「正気を取り戻せ」集会(2010年10月にワシントンDCのナショナルモールで行われた集会)で記録されており、約21万人がウェーブに参加しました。

 

6. 電波

形態:電磁波

 

電波は、水面の波紋のように、山と谷の繰り返しです。電波は電磁波の中で最も波長が長く、1ミリメートルから100キロメートル以上の長さがあります。

 

標準放送のラジオやテレビ、携帯電話、航空管制、リモコン機器や玩具などに広く利用されています。地上波と衛星放送のデジタルラジオでも、電波を利用して音声の明瞭度と音量を高めています。人工衛星の運用システムやロケットの多くは、電波で作動します。

 

電波望遠鏡は、遠くの惑星、恒星、銀河、ブラックホールから届く信号を検出するために使用されています。これらの信号を分析することで、研究者はこれらの宇宙の源の位置、化学組成、運動についてより多くのことを知ることができます。

 

5. マイクロ波

形態:電磁波

 

マイクロ波は、電波と同様に電磁波の一種で、レーダー、通信、調理など幅広い用途に利用されています。また、キーレスエントリーシステム【キー操作することなく、離れたところから集中ドアロックをリモコン操作できる装備】、衝突回避システム、リモートセンシング、分光学など、現代技術にも利用されています。

 

マイクロ波は、波長が1ミリから1メートルで、周波数が300GHzから300MHzの範囲にあります。この領域はさらにいくつかの周波数帯に分けられ、L、S、C、X、Kなどの呼称があります。

 

4. X線

ヒトの肺のX線写真

 

形態:電磁波

 

X線は、皮膚を透過し、その下にある骨を映し出すことができることで知られています。近年の技術の進歩により、X線はより強力に集光され、骨折の発見から腫瘍細胞の死滅まで、その用途はますます広がっています。

 

X線は、紫外線や可視光線よりもはるかに短い波長を持っています。10ナノメートルから10ピコメートル程度の波長のものが多く、従来の光学顕微鏡で見るよりもはるかに小さな構造を可視化することが可能です。

 

また、美術史家が既存の作品の上に絵が描かれているかどうかを識別するためにも使用されます。天文学では、彗星、恒星、ブラックホール、超新星残骸などの研究に、X線検出器を搭載した人工衛星が利用されています。

 

3. S波

画像出典:サスカチュワン大学

 

形態:地震波

 

地震波は、地層内を伝わります。火山噴火、地震、マグマ運動、大規模な地滑り、人為的な大爆発などによって発生するものです。

 

地震波の種類は、P波(一次波)とS波(二次波)が一般的です。S波には横波の性質があります。岩石の中をゆっくり進むため、地震の地震計で確認される波の種類としてはP波に次いで2番目となります。

 

S波は、地球の溶けた外核を通過することはできませんが、通常、P波の何倍もの振幅があるため、より破壊的です。S波の動きは、地表を転がるような効果をもたらし、あらゆる構造物に損傷を与える可能性があります。

 

2. 赤外線

形態:電磁波

 

赤外線を見ることはできませんが、この波のエネルギーを熱として感じることはできます。ほとんどの物体が発する室温に近い熱放射は赤外線です。

 

トースターや加熱ランプなど、多くの家電製品は赤外線を利用して熱を伝えます。トースターや加熱ランプなど、多くの家電製品は赤外線を利用して熱を伝えています。白熱電球は、電気エネルギーのおよそ90%が赤外線に変換され、可視光エネルギーに変換されるのはわずか10%です。

 

様々なポイント・ツー・ポイント接続の通信機器は、赤外線エネルギーに依存しています。例えば、リモコンは、赤外線パルスを指示する機器に照射しています。このパルスは、ボリュームのアップ/ダウンや電源のオン/オフなど、特定のコマンドでエンコードされています。機器のレシーバーは、これらのパルスを機器のマイクロプロセッサーが理解できるデータにデコードします。

 

1. 可視光線

プリズムを通した白色光の屈折

 

形態:電磁波

 

横波の最も一般的な例は可視光線であり、通常400~700ナノメートルの範囲の波長を持っています。また、光子(質量のないエネルギーの塊)の流れで表現することもでき、各光子は真空中を秒速299,792,458mで移動します。

 

光は、バクテリアのような少数の化学栄養生物を除くすべての生物にとって、唯一の食物生成源です。光エネルギーの科学的、商業的応用は何百とあります。反射させたり、屈折させたり、収集して物体を見たりすることができます。

 

強度、周波数、伝搬方向、偏光といった光の特性を利用して、顕微鏡や望遠鏡などの光学機器を作り、肉眼では見ることのできない対象物を見ることができるようにします。

 

太陽からの自然光は、電気を作るために採取されます。レーザーなどの人工光源は、自由空間光通信、レーザー手術、皮膚治療、光ディスクドライブ、光ファイバー、切断・溶接材料、半導体チップ製造(フォトリソグラフィー【写真平版術】)などに使われています。

 

また、天文学者は、天体の構造や特性を理解するために光を利用しています。宇宙や地上にある望遠鏡は、可視光線をとらえて、地球の表面もモニターして研究しています。

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