DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

音は高いほど高エネルギー そして音は相当振動していた...

 今日は音について話したいと思う。

目次

1. 音の速さ

 音は空気中では秒速340m/sで伝わることで有名だが実際には違い、温度が高ければ高いほど伝わる速度も速くなり、10℃温度が上昇すると6m/sずつ速くなる。つまり、音の速さは0℃だと331m/sとなり、30℃だと349m/sとなるため雷が鳴る季節、つまり夏では音の伝わる速度は一般的に考えられている速度よりも速く伝わるようになる。

 また、雷が見えるタイミングと雷鳴が鳴るタイミングは結構ずれているががあのずれは当然ではあるが音速と光速の違いによるものである。

 光速は秒速299,792,458 mとこの宇宙の中で最も速いが音速は先ほども書いたようにたがたが秒速349 mなので速さにして85.9万倍も違う。当然、この違いは相当なものであり、光が1秒で伝わる距離を音は10日近くもかけて伝わり、地球の裏側に音が伝わるのに16時間近くもかかる。

 このように一見すると速そうに見える音速も実はとんでもなく遅く、地球単位で見ても数時間かかる程度である。まあ、日常生活でこのような速度が出せたらものすごく速いが...

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  ちなみに音速が340 m/s程度なのは空気中での話であり、液体中では空気中と比較してもかなり速く、固体ともなると更に速くなり、水中では約1,500 m/sで空気中の4倍以上の速度となり、鉄では5 km/sを超えるようになる。

 このようになるのは体積弾性率と言う数値によって決まっているがこのことを書くと訳が分からなくなるため、ここでは省略する。

 また、気体でも空気中よりもヘリウム中のほうが速く、秒速1kmの速さとなる。

 また、先ほど体積弾性率と言ったがそれを抜いて簡潔に言うと音の伝わる速さは音を伝える媒質によって決まっており、当然媒質が無いと伝わることは無い、つまり音が聞こえなくなる。そして、よくSF映画で宇宙戦争中に音が伝わっている描写があるが現実世界ではあのようなことは決してなく、現実で宇宙戦争をしたとしても音の無い静かな戦争になる。

2. 音の高さは振動数の違い

 音には高い音、低い音があるがこの違いは音の振動数の違いが原因である。振動数とは1秒間に何回振動したかを表す物理量のことであり、単位はHz(ヘルツ)で表わされる。

 そして、振動数と言ってもかなり分かりずらいので簡単に説明すると1秒間の間に何個の波が存在するかを表しています。しかし、これでも分かりずらいので図を用いたいと思う。

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 赤字は2Hzであり1秒間に2つの波が存在しているのに対し、青字は1Hzであり1つの波が存在している。そして、振動数はエネルギーにも関係しており、振動数が多いとエネルギーも大きくなる。

 ちなみに高い音ほど振動数が多く、低い音ほど振動数が少ないため、高い音のほうが高エネルギーである。

 また、音の大小は振幅と言う量が関係しており、上のグラフで言う高さに相当する部分で(上のグラフでは赤字も青字も同じ振幅)、高いと当然ではあるがエネルギーが大きくなる。

 要するにエネルギーの高い音と言うのは大きくて高い音のことである

 では、実際に耳にする音の振動数はどれほどかと言うと20~20,000 Hzととんでもなく高い振動数である。これは当然ではあるが1秒間に20~20,000回も振動しており、1回振動するのにわずか0.05~50ミリ秒しかかからないのである。

 そして、音は15℃中では340 m/sで動いているので1秒間に340 m進んでいますが10,000Hzではこの340mの間に10,000回も振動しています。

 つまり、1回の波が振動している間に340/10,000=0.034 m進んでおり、この長さのことを波長と言い、10,000Hzの音は15℃での波長が3.4 cmということになる。

 これでも相当な振動数だが光ともなるともっとすごく、光の速度が299,792,458 m/sに対して可視光の波長はわずか500 nmほどである、つまり、1回振動している間はわずか500 nmしか進んでおらず、これが約600兆個あるとようやく299,792,458 mに追いつくこととなる。要するに可視光の振動数は約600兆Hzということになり、光の振動数はとてつもない回数となっているのである。。

 以上のことより、音は速度も振動数もすさまじいが光と比較すると大したことがないどころか足元にも及ばないほどなのである。