ムチの音

 鞭を振ると鋭い音がする。あれはソニックブームなのだそうだ。ちょっとびっくりである。

 まずソニックブームとは何か考えてみよう。

 「音」の本体とは、何かによって叩かれた空気の分子がとなりの分子にぶつかって、それがまたとなりの分子にぶつかって・・と、ドミノ倒しのように伝わっていくものである(そのドミノ倒しの伝わる一定の速度が「音速」である)が、いま、音速を超える物体によって空気分子が叩かれるとどうなるだろう。分子はドミノ倒しのように次々に動きを伝えていく暇もなく、グシャッと圧縮された高速、高密度の塊り(衝撃波)とならざるを得ない。高密度部分は前進しながら減速、減衰していき、音波(ソニックブーム)となる。
 ジェット機のような飛行物体が超音速で進むと、衝撃波は飛行物体の前面にかぶさる傘のように広がる面として進む。そしてその面の一部が減衰しながらも地上に達した時にはものすごい音を聴かせることになる。

筆者は昭和三十年頃には北陸の片田舎に住んでいたが、朝鮮戦争の余波ででもあったろうか、その頃にこの衝撃音を何度か聴いている。それは何かが爆発したというよりはこの世界全てが破壊されると思われるような言語を絶する巨大音であった。今は機体の形状や飛行高度などの工夫により、滅多にこの音が聴かれることはなくなっているようだ。

 次に鞭は音速を超えるだろうか考えてみよう。

 腕を時速100キロ程度で振ることは可能である。プロ野球の投球スピードが参考になる(手首のスナップは考えないとして)。
 模式的に考えれば、腕の10倍の長さの棒を振り下ろすと棒の先端は時速1000キロに達する。音速は可能な範囲内にあるかもしれない。しかし実際には難しそうだ。
 いや、鞭の場合は大いに違うのだ。
 鞭を振った場合、鞭の手元に近い部分が動く速度は腕の振られる速度にほぼ等しいが、先端付近はどんどん細くなっており、しかもそれより先がないのでその拘束を免れて、先端に近いほど文字通り加速度的に速度が増す。条件が整えば最先端の速度は軽く音速を超える。鞭の細い先端は鋭利な刃物のように働くので通常は先端に房を付けて対象物を保護しなければならない。

 鞭の先端付近の模式図。BのポイントはAの10倍以上の距離を同時に走る。最先端のCはさらに大きな距離を走る。

 

 これとは一応別に鞭の音について考えてみよう。
 細い棒を振り回すと、ビュッ、ビュッという音が出る。この音はエオルス音という。
 単純な形の物体が流体の中を進む時、その後方に二列に並んでできる流体の渦のことをカルマン渦というが、空気の中に可聴領域の周波数でカルマン渦が安定して発生すればエオルス音が聴こえるわけである。物体の速さが増せば周波数も増して音は高くなる。

 風呂の中で指を立てて動かしてみると、ときには見事な二列の渦を観察できることがある。池の中に細い棒を突っ込んで強く動かしてみると手がぶるぶる震えるのが感じられる。いずれも水のカルマン渦によるものである。

 なぜそんなものができるかについては、常識的に考えてみるとこんな風に言えるだろうか。
 水の中の棒が前方へ進むと、後方が空くのでその左右の水が流れ込む。しかしこのときに棒はさらに前方へ進んでいるので流れ込んだ水は前方に引かれるから、右から入った水は時計周りに、左から入った水は反時計周りにカーブする。しかしこのときに左右の水が厳密に対称に流れ込むことはあり得ず、どちらかが先になり、反対側は遅れて流れ込む。そのために、一定の間隔で左右交互に反対向きの渦が流れ込み、全体としては二列に並ぶ渦の連続となる。

 強い風が吹くときにピューピュー音がするのはこのエオルス音である。冬に聴こえやすいのは葉のない木の枝がカルマン渦を発生させやすいからである。風速が大きければ音は高くなる。
 (風の強い日に電柱がゴーン、グーンと唸っているのは、電線の周囲に発生したエオルス音が電線自体の固有振動数と共振しているのが伝わって来ているのである。)

 

 さて、猛獣使いの使うような大きな鞭の音を間近に聴く機会はそうそうないが、どうだろう、鋭い「ヒョウ!」というエオルス音(これをソニックブームであると思ってはいけない。)以外にそれとは違う音がするだろうか。床を叩く「ピシッ」という音も論外だ。

 鞭の細い先端が超音速で空気を叩くことによる衝撃波は極めて小さい。ただ先端の形状により、ある程度の面積で空気を叩くことになれば、それによってできる衝撃波は減衰しながらも特有の音として聴取され得ることになる。それはかんしゃく玉のような、あるいは小さなピストルを撃ったような「パーン」という音に似ている。乾いた感じの爽快な音だ。
 長い鞭を振って大きな音を出すことを競う競技もあるようだ。小気味のいい音を是非聴いてみたいものである。


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