音の速さは秒速340mと習うことがあります。しかし、空気中の音速が、どんな温度でもぴったり340m／秒という意味ではありません。空気中では、一般に温度が高いほど音は速く伝わります。問題に音速が指定されていれば、その値を使い、条件が変わる資料では温度も読みます。
ここで音の速さと、音の高さを混ぜないでください。速さは振動が伝わる距離と時間の関係、高さは主に振動数に関わります。「高い音だから速く着く」という一つの規則にまとめることはできません。
温度が上がった分と、音速全体
温度による変化を簡単に扱うため、この原稿の例題では「0℃で331m／秒、1℃高くなるごとに0.6m／秒大きくなる」という近似を使います。例えば20℃なら331＋0.6×20＝343m／秒です。これは通常の気温付近で考える説明用の近似で、あらゆる温度や気体へ適用する万能の式ではありません。
温度が10℃から20℃へ2倍になっても、音速は2倍にはなりません。10℃なら337m／秒、20℃なら343m／秒です。セ氏温度の数字の比と、音速の比は違います。0℃にも331m／秒という値があるため、温度に比例して原点を通る関係ではないのです。
また、空気中の関係を水や金属へそのまま当てはめないでください。音が伝わる物質が変わると速さも変わります。温度の効果を比べる問題では、同じ物質の中を伝わっていることを先に確かめます。
例題1｜気温が20℃上がると、音速は何m／秒増える？
上の近似を使います。0℃の空気と20℃の空気では、それぞれの音速はいくらですか。また、20℃の方は何m／秒大きいですか。
答え・解説： 0℃では331m／秒、20℃では331＋0.6×20＝343m／秒です。差は343−331＝12m／秒です。0.6×20で求まる12は、音速そのものではなく、0℃から増えた分です。
式の一項だけを答えにしていないか確認してください。基準値に増加分を足して全体を求める問題です。例えば、長さが初め10cmあるばねで伸びを別に求めるように、「初めからある量」と「変化した量」を分ける考え方が役立ちます。
同じ距離なら、速い方が短い時間で届く
音が進む距離を一定にして比べると、音速が大きい方が到達時間は短くなります。ところが距離まで違う実験では、速く着いたことだけから音速が大きいとは決まりません。発音地点と受音地点の間隔をそろえる必要があります。
手で音を出して自分の耳と時計で測ると、反応時間の影響も入ります。空気の温度を変えた差は小さいので、計測の方法や精度が結果に関わります。短い区間の記録ほど、機器の遅れや時刻のずれを無視できるか確かめたいところです。
距離と時間の図には、片道なのか、壁などで反射して戻る往復なのかも書きます。音速が温度で変わることと、2で割る必要があることは別の判断です。二つを一度に暗算するより、まず通った道の長さを決めてください。
例題2｜340m／秒で計算すると、距離はどうずれる？
温度が一様な空気中で、音が壁から反射して戻るまでに2.0秒かかりました。実際の音速を350m／秒とする模型です。壁までの正しい距離と、340m／秒と決めつけて計算した距離を求め、差を答えてください。
答え・解説： 正しい距離は350×2.0÷2＝350mです。340m／秒を使うと340×2.0÷2＝340mとなり、10m短く見積もります。
この例では、戻るまでの2.0秒という観測値を同じにしています。温度を変えた二つの実験で到達時間まで同じになると言っているのではありません。正しい音速を使う計算と、違う音速を代入した計算を比較しています。何を固定した比べ方かを読み落とさないでください。
風があるときは、空気も動いている
空気中を伝わる速さと、地面に対して届く速さは、空気が動いていると区別が必要です。風向きも温度も変えた実験では、時間差を温度だけの効果へ絞ることはできません。ここまでの例題では、風の影響を考えない一様な空気を前提にしています。
実際には温度や風が高さによって違い、音の進み方にも影響することがあります。屋外で聞こえやすさが違った記録から、温度だけを原因として断定するのは避けます。音の大きさ、背景の騒音、障害物など、聞こえるかどうかの条件も別に存在します。
覚えた数字より、資料の条件を優先する
340m／秒という目安を知っていることは役立ちます。それでも、問題が330m／秒と指定したら、その条件で計算します。「いつも使った値」と「今回与えられた値」が違うときに、勝手に書き換えないことが大切です。
表では温度、音速、距離、時間をそれぞれ別の列にしてみましょう。温度は比ではなく差で使ったのか、求めたのは速度の増加分か全体か。単位を付けた一行の計算が、取り違えを防いでくれます。