「音の壁」と「衝撃波」について

・飛行機が音速を超える瞬間、飛行機に格段の推進力を要する「音の壁」なるものがある。
・飛行機が音速に達したときに「衝撃波」なるものが発生し、「衝撃波」はその飛行機が低空を飛んでいれば近隣の窓ガラスを砕くほどの威力がある。

この２つの現象が起こる理屈を知りたくて、色んなものを読みあさってみたのですが、どうもスッキリ納得できず、以下に自分なりの解釈をまとめてみました。

１，私（飛行機）の目の前に体重50kgの人を10人、1m間隔で一直線に立たせます。彼らは前進する飛行機に押されて発生する、音速で伝わる空気の縦波（これが音ですよね？）です。さらにその1m先にAさん（縦波をぶつけられる役）が立ちます。

２，私は目の前の人をまっすぐ突き飛ばしながら進みます。このとき私に必要な力（飛行中の空気抵抗）は体重１人分の50kgで、立ってる人ははドンドンドンと（音速の）玉突き状態で前に押されて、最後の人は50kgの力でAさんにぶつかります。これが普通に飛んでる状態。

３，さて、音速に達するとは、音の縦波を、つまり並んでる人を押して押して、しまいには先頭まで追いついちゃう事らしいので、そうなると私はビッシリ間隔の詰まった10人分、500kgの力で押さねば前に進めません。これが「音の壁」。

４，押された側は、徐々にではなく、一気に500kgの塊になって飛び出します。これが「衝撃波」。ぶつかられたAさんは、ひとたまりもなくブッとばされてしまう。これが衝撃波の威力。

・・・という解釈でよろしいのでしょうか？

併せて伺います。話がややこしくなるので、ここでは一定温度の空気中の現象として書きます。
・聞こえる聞こえないは別として、空気中に起こる振動（縦波）を全て「音」というのですか？
・縦波の伝わる速さは「より速い」「より遅い」ことなく、いわゆる「音速」として一定ですか？
・衝撃波は波が詰まった状態、つまり波ではないので、衝撃波そのものは「音がしない」と考えて良いですか？

No.1 回答者： yhr2 回答日時： 2017/01/05 09:49

衝撃波は、「音速よりも速く進むもの」から発生します。

「もの」が「音速」よりも速く進むので、「もの」の前方には発生しません。
その意味で「３」「４」のたとえは正しくありません。

池の「波」を想像していただいて、2か所でゆさゆさと波を起こすと、池の中で「波の山と山が重なる部分」「谷と谷が重なる部分」などができて、単独の波よりも「より高い山」「より低い谷」ができます。
たとえば、下記の動画（造波装置）で、0'30" あたりからの「集中波」では、波の集中する中央部に大きな「砕ける波」ができます。


音速を超えた飛行機の先端部には、このような「波の山が集中した部分ができる」「その山の高さが非常に高くなる」と考えればよいと思います。その「高い波」が周囲に広がっていくのが「衝撃波」で、飛行機を頂点とした「円錐」状に、飛行機の後方にできます。
「発信源」で非常に大きな波なので、それが伝わっていく先でも大きなエネルギーを持っているということです。

＞４，押された側は、徐々にではなく、一気に500kgの塊になって飛び出します。これが「衝撃波」。

「押されたものが飛び出す」という比喩は当たりませんし、「飛行機前面の圧縮された空気の重量」を考えるのは間違いです。
仮にこの比喩として、「10人」だから「500kg」ですが、飛行機の先端にはこれが延々と積分されていきますので、理論的には「無限大」に達した状態です。「音速」を超えた瞬間から積分され続けるということです。

＞飛行機に格段の推進力を要する「音の壁」なるものがある。
＞３，さて、音速に達するとは、音の縦波を、つまり並んでる人を押して押して、しまいには先頭まで追いついちゃう事らしいので、そうなると私はビッシリ間隔の詰まった10人分、500kgの力で押さねば前に進めません。これが「音の壁」。

これは間違いではないかと思います。音速を超えることにより、飛行機前面には巨大な圧力、飛行機後方には一種の「真空」が発生しますので、飛行機の「飛行力学上の問題」「構造強度上の問題」が発生しますが、それは「推進力」の問題とは違います。

＞・聞こえる聞こえないは別として、空気中に起こる振動（縦波）を全て「音」というのですか？

とは限りません。あくまで「人間の耳に聞こえるから音」です。風の風圧（例えば扇風機の周期的な風）、圧力波、耳には聞こえない「超音波」、ひょっとすると「かめはめ波」も「空気の波」です。

＞・縦波の伝わる速さは「より速い」「より遅い」ことなく、いわゆる「音速」として一定ですか？

はい。「空気」という「弾力性」があるものの「弾力」を利用して伝わるものであれば、耳に聞こえなくとも同じ速度です。
ちなみに、人間に聞こえるのは、それを感知する耳の「鼓膜」を揺らす振動数の範囲だけです。

＞・衝撃波は波が詰まった状態、つまり波ではないので、衝撃波そのものは「音がしない」と考えて良いですか？

連続した波動というよりは、「圧力の急変」みたいなイメージでしょうか。通常の「海の波」に対する「津波」のようなもの。「連続して周期的に波が続く」のとは違うので、「音」のようには聞こえないでしょう。

この回答へのお礼

お返事有難うございました。疑問がいろいろ整理できました。特に「海の波」と「津波」のたとえ。ウィキペディアなどに書かれた「衝撃波とは、不連続の波」という言葉の意味も理解できたように思います。
ただ、一言で言えばつまり「音の壁」って何なのでしょう？ また、それを超えるためにどのような手段が講じられているのでしょう？
どっかで流体力学の先生と知り合って飲みに行くのが１番いいみたいですね。
ありがとうございました。

お礼日時：2017/01/06 00:59

No.2 回答者： mainas5656 回答日時： 2017/01/05 16:29

テレビではよく戦闘機で発生した衝撃波が爆発音として地上で聞こえます。

音の伝わる速さは空気の分子が連続的に押されて伝わっていくので押す速度に依存します。
低音はゆっくり押すため遅く、高音は早く押すため早く伝わります。
ですが、低音は遠くまで伝わり高温は遠くまで伝わりません。
空気の温度によっても早さは変わります。
空気の密度によっても早さは変わります。
衝撃波がなぜ起こるのか全く分かりません。
高温でもない衝撃波でなぜ爆発音がするのか。
音の壁を超える前と後でなぜそこまで大きな違いが起こるのか。
実際の飛行機は先端に棒のような突起を設けることで空気を周囲に飛ばすため
飛行機全体はそれほど空気抵抗は大きくなりません。
極端な話、空気抵抗は棒の先端のみになります。

この回答へのお礼

お返事有り難うございます。そうなんです爆発音。あれってどうしてあ～なんでしょうね？ 小学生時代、白黒テレビで「サンダーバード」なるものを初めて見て、２号をはじめ登場する航空機が発進後しばらくしてボゴン！という音を出す。と共にパイロットが「音速を超えました」と報告する…思えばこれが衝撃波との出会いでした（笑）
衝撃波は空気抵抗というか、機体の周りで最も空気が速く流れる、翼の上面にまず発生するのだそうです。う～ん、興味は尽きません。ありがとうございました。

お礼日時：2017/01/06 00:44

No.3 回答者： fxq11011 回答日時： 2017/01/06 20:16

音速は高音も低音の速度は同じです、ただし空気の密度、温度によって変化します。

振動による波は波自体がエネルギーをもっています、空気の粒子を考える必要はありません。
レールの上に鉄球を数個くっつけて並べ、後方から鉄球を一つ転がしてぶつけると、エネルギーは瞬時に伝わり一番前の鉄球が一つ飛び出します。
エネルギーを持った波が伝わる速度と同じ速度で振動源が進むとエネルギーがそこに集中するだけになります、それが音速の壁です。
突き抜けると、エネルギーを持った波は後方に置いて行かれる状態になり、集中しなくなります、抵抗は一機に小さくなります。
＞衝撃波は波が詰まった状態、つまり波ではないので
？？、詰まっても波は波では？
音速と振動源の速度が一致の瞬間？と言っても振動源自体進行方向に振動していれば完全に一致？てあるのかな？
＞衝撃波そのものは
火薬の爆発、火山の爆発でも衝撃波は発生します、確かに音はしないかもしれませんが膨大なエネルギはもっています、伝わる媒体によっては容易に音に変換されます。

この回答へのお礼

お返事ありがとうございます。

＞エネルギーを持った波が伝わる速度と同じ速度で振動源が進むとエネルギーがそこに集中するだけ
これは、連なった貨車を機関車が後ろから押し続ける状態だと理解していいですか？ このしんどさが「抗力が増大する音速の壁」ですね？

と、ここまで書きながらあれこれ文献を読むうちに、それも間違った例えだと気づきました。回答No.1のyhr2さんがおっしゃるように、行く手を阻む「音の壁」なるものが現としてあるのではなく、造波抵抗や、音速突破に先んじて機体周囲に部分的に発生する衝撃波による気流の剥離など、飛行機をこれ以上行かせまいと後ろ髪を引く輩の存在が「壁」らしいです。受験勉強中のスマホの誘惑とでも言いましょうか・・・。

＞衝撃波は波が詰まった状態、つまり波ではないので

これは全く変な思い違いでした。ウィキペディアに「衝撃波は、主に媒質中を超音速で移動する物体の周りに発生し、媒質中の音速よりも速い速度、すなわち超音速で伝播、急速に減衰して最終的には音波（ソニックブーム）となる」（本文より抜粋）とあったので、あ～、やがて波になるんだからその前は波じゃないんだな？ と。

音速は一定ですが、それが空気振動伝搬速度において最速ではないんですよね。衝撃波は音より速く進む波。音速は、むしろ耳に聞こえる程に遅いと思えば、超音速に置いて行かれるエネルギーなど、いろいろスッキリしました。

続けてお返事に対する自分なりの理解を書き連ねていたのですが、自分自身、何が分からないのか分からなくなってしまいました。

その他、皆さんから頂いたお返事も併せていろいろ考えるうち、漠然とした質問だったつもりが、相当の深みにはまり込んで来ました。いろいろ研究して、整理できたらまた質問させていただこうと思います。

あ～、次から次へ疑問が涌いてきます。分からないって楽しい。この３連休、きっと眠れません。

有り難うございました。

追伸：＞確かに音はしないかもしれませんが…
超音速で飛んでる戦闘機の横をもし一緒に飛べるとしたら、エンジン音どころか風切り音すら聞こえないかと思うとワクワクします。

お礼日時：2017/01/07 06:27

No.4 回答者： fxq11011 回答日時： 2017/01/07 19:00

抵抗のみが衝撃波、または音速の壁？、とするならば、空気の薄い成層圏では当然抵抗は小さいはず、ならば

Km/hであらわされる速度はより大きい速度が必要なはず、逆に地上付近ではより小さい速度で抵抗は大きくなりますね。
抵抗等が原因で生ずる空気の振動つまり音として感じるエネルギー、とすれば同じ音速でも実際の速度は成層圏では遅いが地上付近では早い、でもどちらでも音速には違いがありません。

この回答へのお礼

お返事有り難うございます。

「音の高さに関係なく伝わる速度は一定」と言っても大気圏内の高度によって空気密度が違うので、それぞれの場所において音が伝わる速さそのものが違ってくる。だから空気密度の低い成層圏では音が衝撃波になるまで音波（空気密度）を詰めていくには、より強い推力で飛行速度を速める必要がある・・・ということですよね。なるほど。またひとつスッキリしました。有り難うございました。

では空気密度の実験。
満員電車とガラ空き電車の中で、立ってる人をそれぞれドンッと突き飛ばしたらどうなるでしょう？

答え：「何すんだコノヤロ～！」って怒られます。

お礼日時：2017/01/08 00:43

No.5 回答者： fxq11011 回答日時： 2017/01/08 11:15

＞だから空気密度の低い成層圏では音が衝撃波になるまで音波（空気密度）を詰めていくには、より強い推力で飛行速度を速める必要がある・

いえ、私の思うのは逆なんです、空気密度が低いと音速も地表面より遅くなる、当然遅い速度で衝撃はが発生する。
つまり空気の密度を詰める必要はありません
波動エネルギーを質量の運動エネルギーに置き換えて理解しようとすると、抜け出せないと思います。
音速といっても、媒質の空気は音速では移動していません音としての振動エネルギーは音速で伝播します。
火山の爆発での衝撃波を考えてみるほうが。
衝撃が大きく速すぎて媒体の空気がそれに遅れることなく動けない、非常に遅いときは噴流？、相当早いときは音、さらに速いと衝撃波（衝撃波のエネルギーが媒体に影響を影響を結果）。

No.6 ベストアンサー 回答者： fxq11011 回答日時： 2017/01/08 16:57

音、波動を人に例えて表現したいなら、すし詰めではなく、わずかに感覚開けて整列。

端の人をポンと押せば、よろけて隣の人に当たり、隣の人を押して立ち直ります、隣の人も同様にさらに隣の人を押します、この繰り返しでよろける力は伝わりますが個々の人は移動していません、人の場合は立ち直って収束しますが、無生物では反動で揺れ戻しがあり振動します。
そこで最初の力がよろけと同じ速さで移動したらどうなるでしょう、単純に想像すれば２番目の人は１番目の人に押された力と、最初の力（いわば振動源がすでに同じ速さで移動してきているのだから）を受けることになります、最初の人が振動源から受けた力の倍の力。
波動の速さ云々のとき媒質は振動するだけで、正味の移動はありません。
あなたのモデルは、物質が力の作用を受けて移動する、力学モデルの基礎、そのままです。

この回答へのお礼

私自身がまだ「超音速でエネルギーが伝わること」を「媒質である空気そのものが超音速でひと塊に飛んでくる」と勘違いしているようです。多少こじつけっぽいですが、光速で流れる電気エネルギーも、媒体である自由電子が光速で動いているわけではないのと似ている気がします。

数度にわたって丁寧に御説明くださり、大変有り難うございました。

お礼日時：2017/01/09 06:10