流体力学物理理科

5分でわかる「波の干渉」ポンプ脈動や音波も含め現役プラントエンジニアが分かりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。今回は「波の干渉」について解説していくぞ。高校物理の教科書で波の干渉というとヤングの干渉実験や光の干渉について学んだと思う。ただし高校の考えが基本となり、実際は光だけではなく、ポンプの脈動による波や音波など多くに応用できる。是非この機会に波の干渉を学んでみてくれ。大学では熱流体工学関係の研究し、プラント関係で設計を行っているアヤコと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/アヤコ

現役のプラントエンジニア。大学では熱流体分野の研究を行い、就職後もプラントエンジニアとして流体に関係する仕事を行っている。流体力学は多くの人が難しいと思い毛嫌いする分野の半面、身の回りの現象は多い。楽しく理解できるよう解説していく。

波の干渉とは?

image by iStockphoto

波の干渉とは波同士が重なることで波を強めたり、弱めたりする現象のことを言います。上の画像は2つの波源があり、それぞれの波が干渉して波面を形成している様子が描かれています。それらは、「山と山」「谷と谷」など波の位相が同じ地点では波が強め合い、逆に「山と谷」など位相が逆転している部分では弱め合います。またヤングは19世紀に波の干渉原理を応用し、光は波であることを証明するために光の干渉実験を行いました。

波の干渉については、ヤングの実験以外にも、ポンプの圧力脈動や、音波による干渉など様々な技術に応用されています。以降にそれらの技術を紹介しましょう。

光による干渉(ヤングの実験)

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By Stannered – File:Ebohr1.svg, CC BY-SA 3.0, Link

ヤングの実験は光源から1枚目のスリット(S1)を通し、穴(b,c)の開いた2枚目のスリット(S2)に光を通すと投影された壁(F)には縞模様の干渉縞が現れるという実験です。光が波であれば、波が拡がって進む回折現象が起こります。また二つのスリットから出た波は、穴bから壁までの距離と片方の穴cから壁までの距離の差に波長が整数倍の個数であれば、「山と山」のように強め合い、逆に半波長の奇数倍の個数であれば、「山と谷」のようになり弱め合い黒くなる現象が発生しているのです。通常、光が波でなければ、回折と干渉が生じないためこのような縞模様はできない=光が波であることの証明がされました。

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波の干渉は、2つの波が同位相のところ、「山と山」、「谷と谷」などのように強め合い、逆位相のところは「山と谷」のように弱め合う現象のことをいうぞ。光を2枚のスリットに通し、干渉縞を作る実験により、ヤングは光が波であることを証明したのだ。干渉により強弱を起こす現象がどのような技術に応用されているかを以降学ぼう。

脈動の波による干渉

この章で紹介する内容を簡単に作成してください。

その1.遠心ポンプの構造

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By John Richards – Centrifugal pumps: an essay on their construction and operation, and some account of the origin and development in this and other countries, Public Domain, Link

遠心ポンプは、電動機などの駆動機を使い遠心力を使い、流体流れに圧力を発生させる機械です。その構造は主に、流体を加速させる羽根車、羽根車から出た流体を渦巻状のケーシングボーリュート)で受け取り、その受け取った流体は吐出口に流れます。

図は、ポンプとボリュートを記載したものです。図の奥行方向の手前側から羽根車に水が入り、時計回りに羽根車が回転し、ボーリュートに沿って矢印の向きに吐き出されるが書かれております。

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