水面の波について

質問

波の特徴の説明としてよく見かけるものに
「池の水面の表面を叩くと、その振動が伝わっていき、浮かんでいる木の葉などはその場で振動する」
というのがあります。
しかし、この説明は適切といえるのでしょうか？
波で人や物が流されるといったことは周知の事実のように思うのですが・・・

回答No.6

gamma

>波で人や物が流されるといったことは周知の事実のように思うのですが・・・
本当ですか？

水面に浮かんだ物を良く観察して下さい。
1）波（の山）が押し寄せてくると、浮子は波の高さに応じて上の方に動きます。
その時、同時にわずかですが山を滑り降りるので波の進行方向に移動します。
2）波（の山）が通り過ぎると、浮子は波の高さに応じて下の方に動きます。
その時、同時にわずかですが山の後斜面を滑り降りるので波の進行方向とは反対方向に移動します。
このようにして、N0.4さんの回答にあるように「円運動」しています。つまり波の山谷山の一サイクルと通して浮子は回転（振動）しますが、平均位置は移動しません。

波で流されているように見えるのは、波頭が崩れて波の振動エネルギーが水の並進運動のエネルギーに変った時か波乗り効果が起こった場合だけです。
海で波が岸辺近くになるとなみの高さが大きくなります。波は大きくなりすぎると、難しい話しは省きますが、北斎の絵のようにその形を維持できなくなり崩れます。

>「サーファー」と「水面に浮かぶ葉」はどこが異なるのでしょうか？
映画などでよく観察して下さい。始めはボードの上に腹ばいになってパドリングをしているでしょう。つまり、違いは初期速度です。
○　波が進む速さ（位相速度）から大きく外れていると、浮子の動きのように振動はするけれど前には進みません。
○　位相速度よりやや遅いで山に押し上げられると、山を滑り降りながら後から斜面で押されるので長い距離にわたって前に進みます。重さや粘性は本質ではありません。一番下まで滑り降りると勢い余って山を登り始めるはずですが、実際のサーフィンでは海岸近くになっていて、波が壊れてサーフィンもおしまいです。波が大きいほど 位相速度と 初期速度の差があっても波乗りできます。

次いでですが、水の波をマイクロ波にサーファーを電子やイオンに変えて考えると、線形加速器の原理になります。

N0.4さんの「群速度でエネルギーは伝達され、その影響で物も押し流されます。」は間違いです（群速度はエネルギーを伝えることはあっていますが）。この記述の通りだと物を押し流したら群速度が変ることになりますが、そんなことはありません。群速度は媒質の性質で決まり、物を移動させて変るのは振幅です。

回答No.5

masuda_takao

横レス失礼致します。

　水面で物体が水面波によって流されるのは、単純に水面波の存在によって、局所的な位置の高低が生じることにより、重力の働きで落下するためでしょう。
　その落下、すなわち水面上を物体がすべる運動が起こるかどうかは、物体の質量や形状、物体が高所にあるときの速度、水面波のエネルギーなどに依存するのではないかと思います。

　木の葉のように平べったくて軽い物体なら、水面から受ける摩擦（粘性抵抗といってもいいかな？）が十分大きいため、水面波により大きな高低が生じても水面上をほとんど滑り落ちないでしょう。
　サーフボードみたいに、十分大きく重い物体なら、水面から受ける摩擦力に重力が打ち勝って、水面上を滑り落ちる運動が生じるでしょう。

　水波で物体や人が流されるといっても、その波長によっては、物体なり人なりから見て流されているように見えても、実は振動なり楕円運動なりだったりすることは普通にあるんじゃないかと思います（スキューバダイバーが、海中でうねりに巻き込まれたときのことを考えてみると、わかりやすいかと）。

　運動する流体の上および中における物体の運動を解析するのは一般に困難ですが、適当な仮定の下に定性的な議論をすることは、いわゆる力学と流体力学の基礎を理解できていれば、大雑把な予測レベルなら出来るんじゃないかと思います。

回答No.4

noname#40706

水面をたたくと波面が相当速く広がっていきます。が。。。これは表面の水そのものが広がっているわけではないのです。つまりホースから勢いよく水が出て床の上に広がっていくのと違うのです。音が毎秒３４０ｍもの速さで進むのも空気の固まりがその速さで飛んでるわけではありません。「波」は振動が伝わるだけで物質そのものはその場で振動しています。水面の波の場合は少し複雑で上下振動ではなく、円形（楕円形）に動いているようです。波で流されるのは、サーフィンのように波の斜面に乗ってしまうなどいろんな要素があるのではないでしょうか。何年か前の東南アジアの大津波の映像で町中の物がゆっくり押し流されていましたがあれは波というより海水の流れそのものみたいです。

補足

皆様、回答ありがとうございます。

No.4の方のおっしゃるように、
「サーフィンは波の斜面に乗って流される」
と思うのですが、これは風や潮の干満などの効果が
なくても流されそうですよね？？
（サーフィンをよく知らないのでその場で単振動しているのかもわかりませんが・・・）

もしそうなら、
「サーファー」と「水面に浮かぶ葉」
はどこが異なるのでしょうか？

風や潮の干満などの「流れ」の効果を無視した場合、
「サーファー」は流されて、「葉」は流されないのは
なぜなのでしょうか？

回答No.3

moby_dick

これは相当に難しいことです。

波には位相速度と群速度があります。
位相速度だけを考えれば、その場で振動するだけです。

群速度でエネルギーは伝達され、その影響で物も押し流されます。

回答No.2

mydummy

池の水面……振動する（ただし水深が波高に比べて十分大きいものとする）

ってすれば？
　水面波による運動ベクトルは通常垂直方向のみだが、
　水面波の振幅の範囲に斜面がある場合、
　満ち潮・引き潮という現象が発生し、
　水平方向へのベクトルが生じる。
ってな注釈付きで。

「（本質以外のこと）は無視するものとする」という中等教育のルールに則った説明だと思いますが。
風や海流は実験条件には入っていませんし。

回答No.1

crisredfield

室内の水槽ですると、浮かんでいる物はその場で振動すると思います。

しかし現実には、たとえば海について考えると、風がある、潮の満ち引きがある、などで水の流れができるために浮かんでいる物が移動するのだと思います。

お礼

早速のご回答ありがとうございます。

風や潮の満ち引きによって流れが生じるということを見逃しておりました。

しかし、補足させていただいたように、そのような「水の流れ」がなくとも、「サーファー」のように波によって流れてしまうことがあるように思うのですが・・・。