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(定在波)です!
定常波とは何か
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。
通常,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。
ところが,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しょう。
繰り返しになりますが,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,大きく振動する点(山と谷を繰り返す場所)と,振動しない点(山と谷に挟まれた場所)が存在するということになります。 大きく振動する点のことを腹,振動しない点のことを節と呼びます。
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,定常波の振幅はもとの波の振幅の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
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。
しかし,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,これは定常波ができる条件とは無関係。)
入射波と反射波の合成波は定常波になる!
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。
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!!