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波の心を観る

波の象形

波の心

波に心がある訳じゃない。しかし、波の象を理解するには自分の思いを波に乗せて考えなければ、その象の意味を知ることはできないように思う。水力学の方程式に書き表すには、その水に働く自然の心を自分の心と合わせて、水の流れに乗って初めてできるように感じる。波の心と言ったが、もっと深い意味では水の心と言うべきかもしれない。水には二つの象があるようだ。海洋の流れは日本付近で黒潮や親潮などがある。この潮の流れは波とは違う。地球という器に入れた水の動きである。地球の自転が赤道付近の海洋との相対性によって生み出す現象と考える。世界の海洋の流れを見れば、大よそ見当がつくであろう。この潮流は自転する地球上に立って見れば、赤道付近の海洋の流れが地球の回転に付いて行けずに遅れる現象と観るべきだろう。地球の自転は海洋だけでなく貿易風や偏西風の気流にも同じ流れを作ると分かった(この貿易風は検索で今日意味を理解した)。その海洋の現象は波とは異なると解釈したい。ただ、この海洋の流れが海全体に様々な流れない波をも作りだしていると考えるべきだ。また、風が波を作り出すという解釈が多く見られる。それも一つの観方であろう。しかし地球という自転する天体から見れば、風という地上との相対運動の差も貿易風などの地球の自転との相対性で起きているとも見られよう。水の流れる潮流水の流れを伴わない波との二つの類型に区別したい。流れない水の波の代表例が津波の海洋伝播現象である。ここで取上げる海岸線での波も水が流れる波ではない。水が流れないで、上下運動をする波動が海岸に打ち寄せるのである。自然現象を理解するには、学校教育が重要な役割を成している。波についてどのように教えられたか。そんな意味も探ってみたい。

サーフィンと水力学

海岸で海底と陸の繋ぎの地形が急勾配だったり、緩やかであったりする。その形状はさまざまである。やってくる波が水深の変化の大きい勾配の或る程度急な場所ではその波の流れがせき止められる。そんな岸辺の水中の角度αに依って波が立ち上がりやすい海岸線がある。そこでは夏の風物にサーフィンが彩りを添える。その大波は独特の象形を描く。サーフボードを引き上げる水の力が働く。何故水が高く巻き上がるか?何故波の尖端が先に飛び出し、飛沫を作るか?こんな運動力学の物理の良い問題はなかなか無いのじゃなかろうか。物理学には水面波の力学が無いように思う。その訳は、物理学で水面の上下運動の解説にエネルギーの話が出て来ないからである。何故水面が上下運動をするかの力学的解釈が見えないのだ。その波の本源であるエネルギーを観ようとする心を失っているからとしか思えない。エネルギーは、決して運動エネルギーと位置エネルギーだけではないのだ。自然は見え難いエネルギーという自然の心を持っているとも言えよう。理科教育で、水面波がどのような原理で伝わるかを解説できていないようだ。「造波器」という器具を解説で使っている高校理科教育講座を見た事がある。何を教え、伝えようとしているのか滑稽に思えた。水面波の速度はどの程度か。何が伝わる速度なのか?速度の方向は縦波の速度方向である。造波器授業では到底波の心は分からない。葛飾北斎の神奈川沖浪裏の波こそサーフィンの力学を考える具体例と思う。

エネルギーの伝播

水中のエネルギー伝播を認識しなければ津波(海洋では水は流れず、上下運動をしているだけの現象の階段波伝播)の意味など分かる筈がない。造波器にはエネルギーは見えない。海水面に波が立てば、その波の本質は水中の深い所まで及んでいる。何が水中に隠されているかである。最近は大きな災害を暴風や竜巻によって受けることが多い。生活圏の気圧のエネルギーが基本に在る。海水面の標準大気圧1気圧1013[hPa]であれば、その1[㎡]に掛る圧力は101.3[kN]であり、その空間は101.3[kJ/㎥]のエネルギー密度空間である。台風は上空に巨大な吸引機を配置した時の状況と同じような気象現象である。空気の水蒸気密度、気流の速度、風向と地形そして近傍海水温度、気温、気圧等様々な条件で決まるエネルギーの流れが災害の規模を決める。水面の波の現象もエネルギーがその基本を決める。空間媒体中のエネルギーの流れが全ての波の基である。海底10000[m]に缶詰めを沈めたらどうなるだろうか。物理学のエネルギーの定義の意味で、缶詰を潰す仕事の圧力エネルギーという定義の適用例になろう。空間はエネルギー密度空間なのである。それも眼に見えないから分かり難いだけである。水が在ればその水中はエネルギー保存空間なのである。波はその水中エネルギーの縦波伝播現象なのである。波の形状もその断面は正確には正弦波とは異なる筈だ。伝播エネルギーが正弦波でなければならないという論理性が見えないから。津波については、エネルギーで見る世界-津波-(2011/03/27)や大津波の発生原因を探る(2011/04/11)、津波(tsunami)を解剖する(2012/02/12)等がある。

波の解剖実験

水による災害が生活に直接影響を及ぼすから、水力学の研究対象が水の流れる強さに向けられているのだろう。水流の研究は水路を流れる水が対象になっている。しかし自然現象としての波を考えれば、それは水が流れない水の上下運動の現象である。特にここで考える波は、水の流れを伴わない波の現象とその意味である。流れるもの即ち伝播するものはその水という媒体の空間に在るエネルギーなのである。海を眺めて波を見ても水が流れて来る訳ではない。岸辺の地形で、波が高く立ち上がる場所が在る。その現象を物理学で説明できなければならない筈だ。海岸の地形は水の底に在る勾配によって決まる。勾配の角度α[°]がどのように影響するかか解析の要であろう。波の解剖実験をするには水の流れない状態の波を発生する波源をどのように作るかが肝心なことになる。広さと長さと深さが必要になる。岸辺の勾配設定すると成れば尚更難しいことか。そんな事から、波を理解するには身体で感触を得るのが手っ取り早いかもしれない。水泳の種目にクロールがある。水を掻く手先を水の底深くに向けて掻く意識が水圧の高いエネルギー高密度で有利なのかとか。巨大津波の原因が海底の亀裂真空帯発生に在るなどは感覚的な自然現象の認識に負う事でもある。缶詰の潰れ現象からの想像でもある。岸辺の波の尖端の水飛沫が何故出来るか。岸に到達した水中のエネルギー密度が水深が浅くなるため、水中で保持できなくなるから、物理学のエネルギー概念の位置エネルギーとして高さで賄うため高く立ち上がるのである。さらに先端が水飛沫に飛び散るのは高さの位置エネルギーから運動エネルギーに一部の水がエネルギー変換して賄う結果の現象と看做す。すべてはエネルギー一つの水に描がく水の心模様である。数式表現はその得意な皆さんに願います。

波の解剖視点 水の流れない波を水力学として捉える視点を挙げてみた。

波の解剖視点 波は何故水面が上下振動をするか。ただ、それが波というものだ。では力学としては意味を成さないだろう。波源で水の上下振動が起こる。例えば物を投げ込んだ時。視点①その上下振動の周期を何が決めるか?視点②その振動の波の伝播速度を決める要因は何か?更に水面にはとても大きな圧力、大気圧101.3[kN/]が掛っている。視点③その圧力に抗して水を持ち上げる力の要因は何か?視点④水中の圧力分布模様はどのようか?などが不思議な波を理解する要点と観る。結局この圧力分布が水中のエネルギー分布になる。この水中の圧力のエネルギー分布がサーフィンの運動力学の要である。海岸の海底勾配が、到来する圧力エネルギーに対してどのように保存則に作用するかを考えれば、波の立ち上がりが見える筈だ。捉え難いもの、それはエネルギーが見えないものである事かも知れない。