二つの音叉を並べ、一方だけをたたきます。しばらくして、たたいた側の振動を止めると、もう一方から音が聞こえることがあります。直接たたいていないのに、なぜ鳴るのでしょう。「音が移った」とだけ答える前に、何が振動し、どこを通って伝わったのかを分けてみましょう。
音叉は、U字のような形をした金属の道具です。ある音叉が自然に振動しやすい速さに近い振動が外から加わると、振動が大きくなることがあります。音で起きるこのような現象を共鳴といいます。同じ高さの音を出す音叉どうしで調べる実験は、その関係を見る入口になります。
共鳴と、単に音が届くことは同じではない
Aの音叉を鳴らすと、周囲の空気を通って振動がBへ伝わります。しかし、音が届けばどの物体も同じように大きく鳴る、という意味ではありません。受け取る側の振動しやすさと、届く振動の速さの関係が重要です。
ここでいう速さは、音が一秒間に何メートル進むかという音速ではありません。一秒間に何回振動するかという振動数です。音の高さは振動数と関係し、音の大きさは振れ幅と関係します。「大きい音だから、同じ高さになった」と混ぜないようにしましょう。資料にHzと書かれていれば振動数、cmなどで振れ幅が示されていれば振動の大きさに注目します。
Aを止める操作には、何を確かめる役割がある？
二つの音叉のそばにいれば、Aの音を直接聞いているだけかもしれません。Aを鳴らしている間に音が聞こえても、それだけでBが鳴ったとは判断できないのです。そこで、Aの振動を止めたあとに、Bから音が続くかを確かめます。
この操作では、Bまで一緒に押さえてはいけません。確かめたい側の振動も止めれば、音が聞こえなくなって当然です。実験の手順には、結果を見やすくするための工夫が含まれています。「手で押さえる」と書いてあれば、どちらを押さえたか、何を止めたかを読み分けます。音が聞こえた位置だけでなく、振動の有無を別の方法で確かめる考え方も大切です。
振動の大きさは、無限には増えない
共鳴を、何も加えずに音がどんどん大きくなる仕組みだと思わないでください。Aから伝わる振動がBへエネルギーを渡します。一方、Bも周囲へ音を出したり、熱などとしてエネルギーを失ったりします。Aを止めたあと、Bの音もいつまでも同じ大きさでは続きません。
ブランコを押す場面を思い浮かべると、タイミングをそろえる意味が分かりやすくなります。ただし、ブランコと音叉では装置も周期も違います。たとえ話は「加えるタイミングが関係する」点を理解するために使い、実験の答えは音叉の条件へ戻して書きます。
例題1｜たたいた音を聞いただけでは？
同じ高さの音が出る共鳴箱付き音叉A、Bを近くに置きました。Aだけをたたくと音が聞こえました。この結果だけでBも鳴ったと結論づけてよいでしょうか。確かめる操作を一つ答えてください。
答え・解説： Aの音を直接聞いただけの可能性があるので、この結果だけでは十分ではありません。Aの振動だけを止め、Bから音が続くかを調べます。Bの音が残れば、B自身が振動していることを確かめる手がかりになります。AとBの両方を同時に押さえる操作とは区別します。
例題2｜音の大きさと高さを混ぜていない？
実験用の音叉Aは毎秒400回、Bも毎秒400回、Cは毎秒500回振動しやすいものとします。距離などをそろえ、Aを鳴らしたとき、基本の共鳴を調べる組としてBとCのどちらを選びますか。また、Aを強くたたくだけで、振動数が500回になると考えてよいですか。
答え・解説： 基本の比較にはBを選びます。Aと同じ振動数だからです。Aを強くたたくことで主に変わるのは振れ幅であり、それだけで400回が500回になるとは考えません。音叉の普通の使い方の範囲で、強くたたくことと高い音に変えることを分けます。数字は本稿の説明用の設定です。
聞こえにくいときも、一つの原因に決めない
同じ音叉を使っても、距離や向き、周囲の音などで結果の確かめやすさは変わります。「聞こえなかったので、振動はまったく伝わらなかった」と断定する前に、聞き取れる大きさだったかも考えます。結果を比較するなら、同じ場所と方法で繰り返す必要があります。
共鳴の説明は、難しい名称を付けて終わるものではありません。Aが振動し、空気を通じてBへ振動が届き、Bの振動しやすい速さとの関係で大きく振動する。この途中のつながりまで書けると、「直接触れていないのに動いた」という別の実験でも、伝わったものと受け取る側の条件を探せるようになります。
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