東大流!【自由研究】QuizKnock Lab「声の形を見てみよう」

 東京大学クイズ研究会の有志で立ち上げたWebメディア「QuizKnock」から発足した「QuizKnock Lab」のナイスガイこと須貝駿貴氏の著書「東大流!本気の自由研究で新発見 QuizKnock Lab」(KADOKAWA)より、東大流の楽しい科学実験を紹介する。

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「東大流! 本気の自由研究で新発見 QuizKnock Lab」(著:須貝駿貴)より
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 東京大学クイズ研究会の有志で立ち上げたWebメディア「QuizKnock」。2017年からはYouTubeチャンネルでも活動を開始。テレビ番組やさまざまなメディアでQuizKnockメンバーの活躍も目立つ。

 そんなQuizKnockから発足した「QuizKnock Lab」は科学をより身近に楽しくをモットーに動画を配信中。「QuizKnock Lab」のナイスガイこと須貝駿貴氏の著書「東大流!本気の自由研究で新発見 QuizKnock Lab」(KADOKAWA)より、東大流の楽しい科学実験を紹介する。

 須貝駿貴氏は、東京大学大学院の博士課程で物理学を研究しているかたわら、QuizKnockで科学的な実験の楽しさを伝える活動を行っている。今回紹介する実験は「自分たちとは違う世界」で営まれる「科学」というイメージを壊すために考案されたもの。家にあるものや身近なもので家のキッチンなどで取り組める実験だ。

 「科学は白衣を着た人たちだけのものじゃない。目の前で起こっていることにちょっとした疑問を持つようになったら、誰もが科学の入り口に立っているのです。実験室や高額な装置がなくても、家のテーブルの上でも、キッチンでも、お庭でも、科学をすることができるのです。」(須貝氏)

 楽しい科学の世界へようこそ!

声のかたちを見てみよう:学べること「声の伝わり方」



 皆さんは「声のかたち」を見たことがありますか? 声は空気の振動ですから、ふつうは目で見ることができません。しかし、「声のかたち」を見るための装置が、家庭にあるものを使って作ることができるのです。さまざまな声のかたちを見ていきましょう。







解説:なぜ音が伝わるのか?



「音」は空気を伝わる「波」



 音は何かが震えることによって伝わっています。ふつうの会話では空気が振動し、それが鼓膜を震わせることで音が伝わります。糸電話であれば、糸の振動によって声が伝わります。このように次々と振動によって伝わる現象を「波」といい、音も波であるといえます。「音波」はそれを表した言葉です。

 ちなみに、空気と鉄で比べると、音は鉄のほうが速く伝わります。音波の速度は体積弾性率(力をかけたときの変形しづらさ)と密度の比で決まります。体積弾性率が大きいほど速度は増します。つまり、硬くて変形しづらいものほど、音波の速度は増すのです。鉄は空気に比べて非常に変形しづらいので、鉄は空気よりも速く音を伝えるのです。

不思議な模様の正体は?



 今回の実験では、音波がボウルに張った膜に伝わり、それが振動して膜の表面に波が生じています。空気の揺れが膜の揺れを引き起こしているわけですね。さて、膜の上ではさまざまな方向に進む波が生じていて、それらがお互いに強め合ったり弱め合ったりすることで、結果としてかたちの変わらない1つの波ができ上がります。これを定常波と呼び、まったく動かない部分を節、大きく動く部分を腹といいます。

 定常波の腹の部分にまかれた塩は大きく弾かれ、ほかの場所に飛ばされます。一方で、節の部分にまかれた塩は動かされることなくそこに留まります。その結果、不思議な模様が描かれることになるのです。

追加実験にTRY!



 「吐く息で食塩が吹き飛び、それが模様になっているだけなのでは?」と思う人もいるかもしれません。そこで、風を起こさずに音を出せるスピーカーで実験!

 吐く息で食塩が動いているわけではないことを調べるために、音しか出さないもの、つまりスピーカーを使って追加実験を行います。スピーカーから流す音については、音叉アプリを利用して一定の音程の音を鳴らすようにしました。音楽だとさまざまな音程に変化してしまい波のかたちを安定させることができず、模様を作るのに不向きだからです。

 なお、音叉とは、たった1つの音程で音を出し続ける道具のこと。音叉は混じり気なしの音を出します。機械的な音なので少し気持ち悪いですが、模様ができるまでちょっと我慢しましょう。しばらくすると模様ができました! これで、吐く息で食塩が動いたわけではないと証明できましたね。

まとめ



音の波が振動板を震わせ声の「かたち」を作る



 音は物体が振動することで伝わります。これを確かめるために振動板を作って食塩をまき、3人のメンバーが振動板に向かって声を出したところ、それぞれの声音がそのままかたちの違いとなって現れました。空気中を伝わる振動が振動板の膜に波を引き起こし、その膜の定常波が食塩を動かした結果、模様が現れたのです。この模様はクラドニ図形と呼ばれます。

 「模様は吐く息によって食塩が動いてできたのでは?」という疑問が生じたため追加実験を実施しました。スピーカーから音叉アプリの音を発生させ、振動板に向けてみると、やはりクラドニ図形が現れました。これで、さきの模様は吐く息ではなく、音によるものであると結論づけられます。

(協力:KADOKAWA)

東大流! 本気の自由研究で新発見 QuizKnock Lab

発行:KADOKAWA

<著者プロフィール:須貝駿貴(すがい しゅんき)>
 東京大学教養学部卒、東京大学大学院総合文化研究科在籍。専門は物性理論(超伝導)。日本物理学会の「学生優秀発表賞」を受賞するなどの実績がある。一方で東大卒クイズ王・伊沢拓司が編集長を務めるWebメディア&YouTubeチャンネル「QuizKnock」のメンバーとしても活躍。YouTube動画では「ナイスガイの須貝」として人気を博す。“科学をより身近に楽しく”をモットーにした科学実験動画「QuizKnock Lab」のリーダーとして、企画・プロデュースに携わっている。


《編集部》

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