横波は固体中しか伝わらないことについて

横波は固体中しか伝わらないことは、媒質の動きが次々に隣の媒質を引っ張っていくことによって波が進むことから、なんとなく理解できます。でも
①光は横波、なのに液体中も気体中も進む（固体中は？）
②水は液体、だったら波動の最初に習う「池に石を投げると波が広がる」とはなんだったのか？

いろいろ納得できないですが、主にこの２点が納得できません。
どなたかお詳しい方、教えて下さい！

質問者からの補足コメント

• 詳しい方に何度もご回答いただいて、きちんと理解するのは大学レベル（？）の知識がいるんだなということは、わかりました。
  これ以上ご回答いただくのも申し訳ありませんので、
  ①光は電磁波という特別な波！だから気体、液体中も伝播します
  ②池の石ポチャによる波は境界上での波だから、教科書の性質はそのままはあてはまらない！
  くらいで納得します。皆様、どうもありがとうございました。

    補足日時：2022/03/13 14:21

No.9 回答者： tknakamuri 回答日時： 2022/03/12 19:36

横波が液体、気体を伝わらないというのは

物質の中を物質の振動として波が伝わる時の話ですよね。
せん断歪みに対するせん断応力の発生しない
液体や気体では横波は伝わりません。

光は電磁場の波なので、別の理屈で伝わる波です。
水の波は表面波に分類される波で横波ではありません。
水と空気の境界で発生する波です。
強いていえば縦と横のハイブリッドな波です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。何度もすみません。
水の波は表面波という「特別な波」なんですね。せん断歪みとせん断応力は、初めて聞きますので、調べておきます。

お礼日時：2022/03/13 14:20

No.8 回答者： yos1912 回答日時： 2022/03/12 18:37

見かけは重力方向というところは、どう説明していいのか苦労したところです。

前後方向に円運動している事もありますが、別の事を説明しようとしていました。これがうまく表現できなかったようです。
　横波というのは進行方向に対して垂直方向に振動するのが特徴です。水面の波は水平方向に広がっていきます。水面の波に適用すると、振動方向が広がっていく方向に対して垂直方向というのは、重力のかかる方向と同じ垂直の場合もあるし、波が広がる方向に対して水平に左右の場合もあります。水面の波では後者に相当するものがないという意味で書いたつもりでした。
　でも、どう読んでもこのように解釈はできませんね。すみませんでした。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。こちらの読解力が弱く、わざわざ何度もすみません。確かに、普通に「進行方向に垂直」といっても、垂直面内での運動は360度ありますよね・・。ご回答頂いた内容、よくわかりました！

お礼日時：2022/03/13 14:04

No.7 回答者： himagene 回答日時： 2022/03/12 17:43

＞横波は固体中しか伝わらないことは、媒質の動きが次々・・・

これが混乱の元。横波には、固体の中を伝わる音波と空間を伝わる電磁波（光も含む）、重力などがあります。電磁波と重力は真空の宇宙空間でも伝わるのでなんとなくわかりますね。（細かなことは後で数学を使って勉強してください）。
①光は横波、なのに液体中も気体中も進む（固体中は？）
透明な固体や液体中（物質中）も進みますが、物質中では原子の周りにある電子が光の電場（べらぼうに強い光の場合は電場と磁場）によって動かされその時の電子の運動の仕方によって、「光の進みが遅れたり方向が変わったり（屈折）、電場の方向が変わったり（偏光）」という現象が起こります。音波が液体や機体中では横波として進めないのは、原子が横方向に移動した時の復元力がないからです。縦波は圧縮され圧力が上がるので押し戻す力があります。
②水は液体、だったら波動の最初に習う「池に石を投げると波が広がる」とはなんだったのか？
これは、水と空気の境目だから起こる表面波です。教科書に書いてあるネミの性質や、上記での横波と縦波の性質は境目がないかずっと遠くにある「自由空間」と言われる場合についてです。境目では物理的性質を満たすような特殊な条件下での現象になります。電磁波や光も横波と言われていますが、導波管や光ファイバーのように狭い空間に場合は境界の影響で、縦方向の電磁場成分が現れる事があります。

この回答へのお礼

ご回答、ありがとうございます。
縦波は圧縮されて圧力差ができるから復元力が働く、というところはよくわかりました。だから何もない真空中では音が伝わらないんですね。
水面の波は、水と空気の境界で起こっていることがポイントだということも、わかりました。教科書に書いてある横波・縦波の性質は境界の無いところの話だというのも、初めてしりました。高校の教科書では、ここまでの注釈は書かれていないので、教科書を読んで考えるほど、混乱してしまいます。

お礼日時：2022/03/13 14:00

No.6 回答者： puyo3155 回答日時： 2022/03/11 20:26

>横波は固体中しか伝わらないことは・・・

そんなことないですよ。

波とは、ある一点の変位が、常にもとに戻るような性質と、その変位が隣にも伝わるような性質があれば、起こります。

つまり、バネが並んで、更に並んだバネが、バネで横にもつながっているイメージです。そのある地点のバネを引っ張って話せば、波が起こります。

縦波か、横波かは、その物質の変位に対して戻ろうとする力が、進行方法に対して平行か、垂直かだけのことです。

音波は縦波。
電磁波は横波。でも超特殊な状態では縦波も。
物質波である地震のP波は縦波、S波は横波。

です。

①　光：すなわち電磁波は横波です。しかし、いわゆる物質としての媒体がありません。簡単に言えば、この世の仕組み、つまり空間の性質に、バネのような変位をもとに戻す性質が備わっているのです。電界が変化すると磁界が生じ、磁界が変化すると電界が生じる・・・マクスウェルの方程式の解として表現されるのが光：電磁波です。なので、真空だろうとその横波は伝わります。

②　水の波は複雑ですね。重力や表面張力があわさって、縦波と横波の合成の波になります。

最後に、この世をつくるすべての素粒子（物質や力）は１７種類あり、これらはつまるところすべて波です。われわれが物質と考えている粒も力のもとこの世には存在せず、エネルギーで空間に張り巡らされた場が励起し、その振動が伝わる現象だけですべて説明されます。電磁波が、何もなくても空間を伝わることは、電子やその他すべての素粒子にも言える共通の動きで、それが、我々がこの世に存在できる基本の仕組みです。

この回答へのお礼

ご回答、ありがとうございます。
地震は中学で習いましたが、P波とS波で違うっていうことは初めて知りました。
空間に変位を元に戻す性質があるんですね。多分完全に高校の範囲は超えてると思いますが、まったくわかりませんが、おもしろいですね。
あと、水の波が複雑ということは、他の方も解答下さったのでそうなんだ、と思いますが、重力と表面張力が混ざっているんですね。表面張力も不思議な力だと先生が言っていた気もしますが、まざっているので複雑になっているということで、わかりやすいです。
最後のところは、難しすぎてわかりませんでした！素粒子ってのが究極の物理なんですね。

お礼日時：2022/03/12 18:41

No.5 回答者： head1192 回答日時： 2022/03/11 19:05

①これについては「電場」と「磁場」を設定することによって解決した。

言い換えれば「空間自体に電磁波を伝える性質がある」ということ。
時空が光速度の制約を受けていることもその一つの傍証かもしれない。
ただしこれは指導原理であり証明はできない。

②重力が存在するから。
個々の水分子は重力によって下方に引っ張られている。
盛り上がったところの水分子は他の部分の水分子よりも高い位置エネルギーを持ち、エントロピー増大の法則に従って常にそのエネルギーを開放して周囲と同じ状態に戻ろうとしている。
こうしてその水分子は位置エネルギーを周囲に開放し自らは下に沈む。
周囲の水分子はエネルギーを与えられ上に上がる。
その伝播が波紋となる。

なお、ねじれ力は弾性によって引き戻され横波となるが、水にはそういう弾性がない。
なのでねじれ力は水の中に拡散してしまう。
鋼鉄のばねは「びよんびよん」と震えるが水のそういう状態は考えられない。
それと同じこと。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
①は、すみません。難しすぎてよくわかりませんでした。「光は横波」で考えるより、「光は電磁波」と考えると、空間中を伝わることが説明できるんですね。
②の水の波は、弾性力ではなく位置エネルギーを開放することによって伝わるということですか。（すみません、中学～高校レベルの知識で理解しようとはしていますが・・）
最後にばねを例に挙げて頂きましたが、ばねの動きは縦波。水中でも縦波である音波は伝わりますね。でも、水には弾性力はない。波って難解ですね・・。

お礼日時：2022/03/12 18:06

No.4 回答者： yos1912 回答日時： 2022/03/11 18:16

水面の波について解答します。

　水面の波ができる原因は、盛り上がった水が周りに広がったり、へこんだところに周囲から水が流れ込んだりすることが原因でできます。従って重力のないところでは発生しませんし、見かけの振動方向は重力の方向で水平方向には波のようすが認められません。この点が横波と異なっています。
　地震の場合にもこれと同じような波ができます。伝播速度はＳ波に比べて遅い(半分くらい)のか特徴です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。液体はちゃぷちゃぷしているので、盛り上がった水が周りに広がったり、へこんだりすることは、イメージできます。それは重力があるからなんですね。
見かけの振動方向は重力の方向、と書かれていますので鉛直方向ですね。池の石ポチャの波ですと、石の位置から放射線状に波が広がっていくと思います。これは水平方向だと思うんですが、横波ではないんですか・・？あ、「見かけは」と書かれているので、見かけは横波ぽいけど、本当は前の方が解答して下さったように、進行方向を含む鉛直平面内での「円運動」ってことですかね。読解力がなくて、すみません。こんがらがってしまいました。

お礼日時：2022/03/12 17:54

No.3 回答者： t_fumiaki 回答日時： 2022/03/11 13:38

>>真空中じゃないときも、光のまわりには電界と磁界ができているのですか？

空間内部での出来事だから、そうです。

電流は電子と言う物質の流れです。
電界と磁界は物質では無くて「場」です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
そういえば、電場、磁場ということもある、と聞いたことがあります。なんか難しくなってきましたが、電界と電流は違うものなんですね。

お礼日時：2022/03/12 17:45

No.2 回答者： d9win 回答日時： 2022/03/11 13:28

波は媒体の変位が伝わる形態を示します。

一方、光はそれ自体が波と考えると良いのではないかと思います。
言い替えると、光は光子(の連なり?)であるとも言われてます。それは、電子と同様に"そのもの自体が波である"と言えるのではないでしょうか。そのため、真空中でもそれ自体で存在し得て、それが移動する状況を波が進行しているとも見なし得ると考えてはどうでしょうか。
なお、電磁波は電界と磁界を伴いますが、電流は流れていません。電流は、基本的に電子等の電荷の移動によって起きます。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。光はそれ自体が波、ですか・・。難しいですね。電界と磁界があること＝電流、ではないのでね。勉強になりました。

お礼日時：2022/03/12 17:43

No.1 回答者： t_fumiaki 回答日時： 2022/03/11 11:40

①光については別です。

光は真空中を、空間の電界と磁界の強さ変動で伝わります。
変動する電界と磁界の強さの方向が進行方向に直角なので横波です。

光が物質中を通るときは、構成する原子や分子は進行の邪魔をする障害物です。（光は原子や分子の間を通る）

音波などは構成する原子や分子の振動自体が波ですから状況は全く違います。（音は原子や分子が伝える）

②縦波・横波とは種類が違う波です。

水の粒子が、波の進行方向を含む鉛直面内で円運動をする為に起きます。
音波の縦波や、光や電波の横波とは、別種な波で、複雑です。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
①光は電磁波、というのは習いましたので、そのことでしょうか。真空中じゃないときも、光のまわりには電界と磁界ができているのですか？電流が流れているんでしょうか？
②池に石ポチャンの波が、そんなに複雑だとは知りませんでした。波は縦波と横波に分類される、と習いましたが、それ以外もあるということですね？物理は意外と複雑なんですね。

お礼日時：2022/03/11 12:33