空気はバネの性質がある
ヤマハやヤマハ発動機の「音叉」マークのヒントから得た「正弦波」についてさらに調べていきました。
空気はバネでゴムボールのようなもの
正弦波や単振動の記述を集めていくと、空気はバネの性質を持ち、弾力性があるという記述が気になりました。
波をよく伝える媒質はばねの性質を持ちます。ばねの性質が無いものは波をよく伝えることができません。ばねは、伸ばされれば伸ばされるほど強い力で引き戻そうとします。この力を復元力といいますが、復元力を持つものは単振動という動きをします。
つまり、音や光という波を伝える媒体である空気にもバネの性質、弾力性があるということです。伸ばされれば戻そうとする力が働くことになります。
空気と弾力の記述をさらに探しました。
空気は弾力があって重量がある。弾力のあるゴムボールのようなものが無数に並んでいると考えることができる。
空気は弾力のあるゴムボールのようなものが無数に並んでいると書かれています。
空気がバネという感覚は、空気の入ったボールを思い浮かべてください。バスケットボールなどはボールの中に空気が入っていますが、空気がパンパンに詰まったボールだと弾みすぎ、空気が抜けているとボールはほぼ弾みません。
ボールの弾み方の違いから空気自体に弾力性があるというのは感覚的につかめるかと思います。
先程の引用のように空気中にこれだけの弾力性を持つゴムボールが無数に並んでいるとなると、例えばボールを前方に投げたとき、前へ進もうとするボールに対してかなりの押し戻される力がボールに働くことになります。
下記はTwitterで集めた情報を転記させていただきます。
これ全体貼らないといけないですね...
— maro (@bb2000_yuritsu) September 12, 2021
frEというのは低音域共鳴透過現象の周波数帯域で、中空構造は空気をバネとして、弾性材はそれをバネとして振動の系が形成され、共鳴を起こす固有振動数を持つようになると言われてますね。ここから先は未勉強で想像の域になっちゃうのでまた改めてお願いします！ pic.twitter.com/nEazESo5GF
『frEというのは低音域共鳴透過現象の周波数帯域で、中空構造は空気をバネとして、弾性材はそれをバネとして振動の系が形成され、共鳴を起こす固有振動数を持つようになると言われてます』とのご指摘で、難しそうな内容ですが興味深いことが書かれています。
ある周波数帯域で空気をバネとして、つまりある周波数において空気のバネ性は強まるような記述です。その力は断熱材が空気のバネの性質により振動するほどです。
低音域共鳴透過現象とも書かれているように、正弦波の記事で記述したハムノイズも低音です。
理科の授業では空気抵抗を無視する
話は少しそれますが、私は中学高校の理科や物理学の授業で「空気抵抗は無視する」として計算を進めていくことにずっと違和感を持っていました。物理学は様々なこと(空気抵抗だけでなく経年劣化など)を無視するため、正しい答えを導いていないと感じてきました。
例えばボールを前方へと投げたとき、空気抵抗を無視してボールの重さや重力や投げた力などで計算して距離などを導きます。仮説ですが実はこれらは、重力ではなく空気の弾力性によってボールが押し戻されることで放物線を描いているとも考えられます。本当の計算式とは、無視された空気抵抗によって導かれるかもしれないということです。
Twitterの記述も断熱材が振動してしまう記述であり、防音や防振を考えれば通常は空気のバネ性はやっかいもの扱いになります。
「やっかいもの」「通常は無視するもの(空気抵抗など)」として学校教育で目をそらされてきたものにこそ、本当の真理が隠されていると思っています。ハムノイズもノイズとしてやっかいものです。
バネの特徴から考察
日常で目にするバネとは、金属をぐるぐると巻いた渦の形をしています。
正弦波などの周波数は2次元で考えると波ですが、3次元の立体で考えると渦です。
物理的なバネで考えると、大きさの違うバネ2つだと中に入ったりなど干渉し合わないですが、同じ振り幅のバネ同士ですと反発し合いバネの力が増幅されます。
これを先程のTwitterの記述、空中で考えると、空気の周波数と低音音波の周波数が干渉し合うとき、空気のバネ性を強く感じて振動が発生したと考えられます。
これらを飛行機で考えてみます。
飛行機のエンジン内はブレードと呼ばれる回転する羽がたくさんあり、エンジン音はハムノイズのような低音です。
エンジンの場所は機体の真ん中より下に設置されています。機体より下かつ翼の下にエンジンを設置することで音は下へと広がりやすくなります。
機体の下にある空気と、エンジンの低音の音波をぶつけ、空気のバネ性を利用して機体を上へとあげる力、機体を浮かせる力を得ている、と考えることもできます。
先程の空気は無数のゴムボールが並んでいるイメージで説明すると、ゴムボールの上に置かれた飛行機が音波によって下のゴムボールを凹ませ、ゴムボールが元に戻ろうとする力で飛行機を浮かせているというイメージです。無数のトランポリンの上を軽々と歩いているような感覚でしょうか。
空気のバネの性質とは電気的なもの？
空気にはバネの性質、弾力性を持つことは今までの記述で少しは納得していただけたでしょうか。
では、なぜ空気はバネの性質を持つのか、です。ここを解明しなければ飛行機が飛ぶ原理の説明にはなりません。
空気のWikipediaを見てみました。
空気（くうき）とは、地球の大気圏の最下層を構成している気体で、人類が暮らしている中で身の回りにあるものをいう。一般に空気は、無色透明で、複数の気体の混合物からなり、その組成は約8割が窒素、約2割が酸素でほぼ一定である。また水蒸気が含まれるがその濃度は場所により大きく異なる。工学など空気を利用・研究する分野では、水蒸気を除いた乾燥空気（かんそうくうき, dry air）と水蒸気を含めた湿潤空気（しつじゅんくうき, wet air）を使い分ける。
空気は様々な気体の混合物であり、8割が窒素であることはよく知られています。窒素について調べてみました。
窒素（ちっそ、英: nitrogen、仏: azote、独: Stickstoff）は、原子番号7の元素である。元素記号はN。原子量は14.007。
結晶構造：六方晶系
磁性：反磁性
雷（落雷）に付随して発光すると言われる超高層雷放電（レッドスプライト）は窒素分子がその発光に関係していることが分かった。
窒素は安定した形で空気中に存在していることと、反磁性を持つと書かれています。雷の記述もあり、窒素分子は雷の光を伝える媒体であることが言えそうです。
窒素の性質である反磁性が気になり調べてみました。
反磁性（はんじせい、英: diamagnetism）とは、磁場をかけたとき、物質が磁場の逆向きに磁化され（＝負の磁化率）、磁場とその勾配の積に比例する力が、磁石に反発する方向に生ずる磁性のことである。
反磁性体は自発磁化をもたず、磁場をかけた場合にのみ反磁性の性質が表れる。反磁性は、1778年にセバールド・ユスティヌス・ブルグマンス によって発見され、その後、1845年にファラデーがその性質を「反磁性」と名づけた。
原子中の対になった電子（内殻電子を含む）が必ず弱い反磁性を生み出すため、実はあらゆる物質が反磁性を持っている。しかし、反磁性は非常に弱いため、強磁性や常磁性といったスピンによる磁性を持つ物質では隠れて目立たない。つまり、差し引いた結果の磁性として反磁性があらわれている物質のことを反磁性体と呼ぶに過ぎない。
反磁性のWikipediaを読み進めていくと、「反発」「浮上」といった項目もあり、空気が持つ弾力性とは磁性なのではないかと思えてきます。
物体がマイナスの静電気を帯びているかプラスの静電気を帯びているかを示す「帯電列」という言葉がありますが、その中でも空気は強いプラスの静電気を帯びている位置にいます。大気は高度が高ければ高いほど帯電しており、重力とは電位差ではないかという考察も目にしました。
破壊学事始さんの記事では、飛行機の翼が空気のプラスに対して反発力を持つから飛ぶと考察しています。
空気の弾力性はハムノイズのような低音の正弦波の時に増すのなら、弾力性の原理は静電気や電位差だけでは説明できないかもしれませんが、空気の磁性も飛ぶ原理の解明に繋がると感じます。空気の中には気体だけでなく、光など様々なエネルギーも存在しているでしょう。空気や大気のことをもっと調べる必要がありそうです。
静電気や電位の話は長くなりそうなので、別途記事としてまとめていきます。
【関連記事】
・ヤマハと音叉
・正弦波とハムノイズ、ハムノイズと重力
・飛行機の翼が空気のプラスに対して反発力を持つから飛ぶ（破壊学事始さんの考察）
・空を飛んだ昆虫学者（グレベニコフ教授）