定常波

次のような2つの波を想像してください。

このあと2つの波はぶつかって合成波をつくります。 このときできる合成波が今回のテーマ,「定常波」です!

定常波とはどんな波か

定常波というのはちょっと変わった波で,一言で表すと,「進まない波」です。

普通の波は,下図のように波源から遠ざかるように進行します。

しかし,定常波の振動の様子は,

のようになります。 山と谷が交互に繰り返されるので,確かに振動はしています。

が,山と谷が媒質の決まった箇所にしか現れないため,右にも左にも,どちらにも進まない波に見えるというわけです(YouTubeなどで検索すれば,定常波の様子が見れるので,必ず一度は見て,イメージを頭に焼き付けてください)。

「進まない」以外の定常波の性質も挙げておきます。

まず上で説明したとおり,定常波では山と谷は決まった場所にしか現れません。 これは言い換えると,大きく振動する部分(山と谷を繰り返す部分)と,振動しない部分(山と谷に挟まれた部分)が存在するということになります。 大きく振動する部分を,振動しない部分をと呼びます。

また定常波は,同じ振幅の波どうしが重なってできる合成波なので,定常波の振幅は,その元となった波の振幅の2倍になります(重ねあわせの原理を忘れている人は要復習!)。

その他の細かい性質はまとめノートに記しておくことにします。


定常波が発生する条件について

…最後にもう一度,定常波ができる条件を確認したいと思います。

〈定常波ができる条件〉

互いに逆向きに進む2つの波が,

①同じ速さであること

②同じ振幅であること

③同じ波長であること

です。 この3つの条件がそろって初めて定常波ができます。 確かにそれはその通りなんですが… … …

この条件,ハッキリ言ってかなりキツいと思いませんか?

実験室などで人為的に作るのは簡単かもしれませんが,自然界で2つの波が互いに逆向きに進んできたときに,その2つがたまたま同じ速さで,たまたま同じ振幅で,たまたま同じ波長,なんてことが果たしてあり得るでしょうか?

うーん,この条件が全部揃うというのはちょっと考えづらいですよね。

ただし,この条件が簡単に揃う場面が1つだけあるのです。 それは入射波と反射波です。

反射板に向かっていく波と,反射されて戻ってきた波。 これらは当然,互いに逆向きに進みます。 波は反射しても速さや振幅,波長は変わらないので,定常波のできる条件がすべて満たされることになります!!

(※ 固定端反射では位相が変わりますが,定常波を作るのに支障ありません)

「入射波と反射波は合成すると定常波になる」

これは大事なのでぜひ覚えておきましょう!

今回のまとめノート


時間に余裕がある人は,ぜひ問題演習にもチャレンジしてみてください! より一層理解が深まります。

【演習】定常波定常波に関する演習問題にチャレンジ!...

次回予告

次回からは最も身近な波である音波について学びましょう!!

音の3要素我々はいろいろな音に囲まれて生活していますが,物理の観点から見ると,どれも何の変哲もない「ただの波」です。では,きれいな音楽と騒音は,波としてどう違うのでしょうか??...