エネルギーはどこへ？、またはどこから？

質問

以前、NO.878254で音が大きくなる理由について質問させていただいたものです。その時私の表現が稚拙で、意を尽くした質問が出来ませんでしたので、改めて質問させていただきます。
次のような場合において、エネルギーはどこから得たのか？。または、どこへ消えたのか？と言う観点からお答え願えれば幸いです。
（１）携帯電話のスピーカー部分にプラスチックコップを付けてみたところ、音が大きく聞こえました。この時のエネルギーはどこから得たものでしょうか？
（この質問はすでにfoobar様が解答をくださいましたが、疑問の原点ですので改めて質問させていただきます）
（２）シャボン玉などで、７色の色が見える理由として光の干渉で説明されます。例えば、シャボン玉のある部分で赤色が見えた場合、その部分では赤色の波長の光が干渉で強められているか、または他の色の光が弱められているかだと思いますが、その時、強められたまたは弱められたエネルギーはどこから得たりまたはどこに失ったのでしょうか？

回答No.7

foobar · ベストアンサー

CDで赤色に見えているところに赤い光をあてると？
・太陽光や照明の白い光は、赤色や他の色の成分を含んでいます。
・CDの反射面で赤く見えるところは、赤色の成分だけが目の方に反射されていて、残りの成分は別の方向に反射されています（その結果、目に入らないので見えない）。光の送料は変わっていません。
・赤い光を当てると、、赤く見えていたところは赤く（ただし、元の光と同じか暗い明るさ）見え、それ以外の色に見えていたところは暗く見えます。
暗く見えているところにあたった光は、目の方向に向かわず、別の方向に反射されています。

コップを当てたときに音が大きくなる。
考えられる理由は３っつ

1．＃1さんが書かれているように、四方に放射されていたエネルギーが一箇所に集中した場合
この場合は音として放射されたエネルギーの総量は変わりません。ただし、一方向に集中した結果、他の方向では音が小さくなります。

2. 機器の筐体を振動させて、最終的には熱に変わっていたエネルギーが音に変換された場合
この場合では、それまで熱として捨てられていたエネルギーが音として空間に放出されています。（ただし、筐体の振動の様相が変わるので、大抵は3．の「電気回路（電池）からエネルギーを供給」も同時に起きています）

3．スピーカを通して、電気回路と空気(音響回路？)が結合しているため、音のエネルギーが増えた分だけ電気回路(の電源)からエネルギーが供給される場合
さらに、これは細かく見てみると

3-1 電源(電池)からエネルギーが供給されている場合

3-2 それまで、電気回路で熱に変わっていた部分が音のエネルギーとして放出されている場合
(スピーカの振動板の運動エネルギーと、電気回路のエネルギーは相互にやり取りがあります。スピーカを駆動している回路の構成によっては、戻ってきた運動エネルギーが熱になります。音として放射するエネルギーが増えた分、電気回路に戻ってくるエネルギーが減って、熱になる分が減るという場合があります。）

の二通りあって、大抵は両方が同時に起きています。
(2.と3-2は、最終的には熱に変わっていた振動のエネルギーが、音として放射されるようになった　という点で類似の状況になっています。)

大雑把に書くと、このような状況かと。

お礼

ご回答ありがとうございます。
何度も詳しい解説をくださり、ようやく解ってきました。（なさけな～～～）
ありがとうございました。

回答No.8

foobar

音と電気の相互作用
少しモノは違いますが、モータ+ファンを想像していただくとイメージがつきやすいかもしれません。

1．モータの軸に何もつながずに回す
　この時は、風はほとんど起きませんし、モータに流れる電流は少なく、電池からはほとんど電力は供給されていません。

2. モータの軸に小さいファン(羽)をつけて回す
　ファンをつけたときには風（のパワー）が強くなります。その分、(回転数が若干下がり)モータの軸にかかるトルクが増えて、モータの出すパワーがあがっています。このパワーはどこから来るかと見てみると、、モータに流れる電流が増えて、その分電池からの電力が増えています。

3. ファンを大きくする
　ファンを大きくすると、風のパワーが強くなり、その分モータの電流、電池から供給される電力が増えます。
（ただし、ファンを大きくしすぎると、ファンを駆動しきれなくなり、風は弱くなりますが。）

スピーカの場合にも、これと類似の現象が起きます。（特にダイナミックスピーカの場合には、ほとんど同じ現象がおきています。）

お礼

またまたありがとうございます。
今回のたとえは一番わかりやすかったです。
一目瞭然ですね、ありがとうございました。

回答No.6

Masye

↓続きです。
　シャボン玉で干渉する・・・
エネルギーは、いきなり生まれたりなくなったりはしません。　アインシュタインのE=MC＾２　は別として、
ですから、そのエネルギーは太陽の光自身のエネルギーなんですよ。　他の何者もエネルギーを与えてはいないし、奪ってもいない。　ただ、自分のエネルギー内でやりくりしてるだけなんですよ。

わかりにくかったところなどがあれば、補足質問などよろしくです～

補足

再度のご回答ありがとうございます。
NO.1のお礼でも書きましたように、
「ＣＤの虹模様で、例えば、自然光が当たって赤色に見える部分に赤色（単色）の光を当てると、元の光より眩しくなるのでしょうか？、または、青色（単色）の光を当てると、光は弱まるのでしょうか？、どちらかは解らないのですが、仮に赤色が眩しくなるとすると、これを繰り返せばエネルギーを加えることなくより明るい光が出来る（青色の場合にはエネルギーがどっかへ行ってしまう）・・・そんなことがあるはずはないと思うのですが、どこが間違っているのか解りませんでしたので、今回の質問となりました。
素人のとんちんかんな質問で申し訳ございませんが、よろしくお願いいたします。

回答No.5

Masye

エネルギーは、携帯の電池からきて、スピーカーで、電気エネルギーから、運動エネルギーに変えられ、それがコップに伝わったのでしょう。
音が大きくなったのは、エネルギーが強まったのではなく、空気中に逃げていく音をコップで集めたのだと思ってください。
また、エネルギーは、空気の摩擦で熱エネルギーに変わるのです。　音は空気の振動ですから、それが空気との摩擦で振動が止まり、その摩擦によって、ほんのわずか空気が温まったはずです。　本当にわずかですが、、、

シャボン玉
これも強めあうのは、エネルギーが強まるのではなく、同じ色が集まっただけだと思ってください。　正確には光の干渉なんですが、あくまでもわかりやすくするためです。　ちょっと時間がきてしまったので、また後日続きを書きます

お礼

ご回答ありがとうございます。
私の科学の知識は高校レベルで止まっていますので、とんちんかんなツッコミをしますが、ご容赦ください。
>音が大きくなったのは、エネルギーが強まったのでは
>なく、空気中に逃げていく音をコップで集めた
携帯電話に接触させたコップを色々な方向に向けてみたのですが、どの方向でも音がより大きく聞こえました。
この事実から、コップを付けた携帯電話は、付けないときより全方向に向かって大きな音を発している＝どっかからエネルギーを頂戴している・と考えまして、質問をしました。音をコップで集めた・としますと、とある方向では音は小さくなるような気がするのですが、・・・間違いを指摘いただければ幸いです。

回答No.4

foobar

音が大きくなったときのエネルギーバランスで補足

振動板を外付けして、振動→音の変換能率が上がった結果、
・振動板（や筐体）の振動振幅が小さくなり
・振動に伴う損失(構造材内部/外部での摩擦損失)が減って
・音のエネルギー増大分（の一部？）を補填
という効果もあるかも。（この場合でも、アンプから見た電気的なインピーダンスは変わってはいますが）

お礼

再度のご回答ありがとうございます。
理解が間違っているかもしれませんが、私の推測（筐体の振動が伝わる）がちょっとは当たっていた・と言うことでしょうか？

回答No.3

foobar

2. 例えば、シャボン玉の透過光が赤く見えた場合、赤以外の光は反射されています。逆にシャボン玉が赤く反射して見えた場合、赤以外の光は透過しています。と、このような具合に、反射光と透過光の総量は一定に保たれています。(簡単のため、シャボン玉の膜は充分透明と近似）

1. スピーカに大きな振動板を当てると内部ではこんな事が起きます。
簡単のため、以下の仮定（近似）を置きます。
・ダイナミック型のスピーカ(コイルに流れる電流の電磁力を使うタイプ）を使用
・元の振動板は充分小さい
・振動板の質量は充分小さい
・振動板は充分な剛性がある（変形しない）
・振動板を支える部分のばね効果は充分小さい
・スピーカは電圧源で駆動されている

0.スピーカの作用
　スピーカの振動板は、コイルに流れる電流に比例した力で駆動され,スピーカのコイルには振動板の振動速度に応じた電圧が誘起します

a. スピーカ単体の場合
　振動板と周辺空気の相互作用が小さく、振動板は小さい力で振動します。このため、スピーカのコイルにわずかな電流しか流れません。（わずかな電流:パワー:で充分振動板は振動できる）

b. スピーカに振動板が付加された場合
　a. と同じ電流(駆動力)では、振動板周辺の空気を押す力が不足し、振動板の振動が小さくなります。
　このため、コイルに発生する逆起電力が小さくなり、スピーカに繋がったアンプからはさらに電流が供給されます。（アンプからの供給電力が増える）
　で、振動板の駆動力が強くなって、充分な逆起電力が発生するところでバランスします。
　等価的にはスピーカの電気抵抗が下がるように見えます。

実際のスピーカでは、振動板の質量(電気的にはコンデンサに見えます）、周辺のダンパ、振動板の変形（や機械共振）、コイルの抵抗　などがあるため、上記ほど単純ではありませんが、スピーカの振動と空気の振動との結合具合の変化は、見かけ上のスピーカのインピーダンス変化として表れます。
結合が良くなって、音として放射されるパワーが増大した場合には、その分アンプの出力電力は増えています。
（空気と振動板の結合は、振動板を大きくする以外にも、適切な形状のホーンをつけたりしても良くなったかと）

お礼

早速の、そして、詳しいご回答ありがとうございます。
メカに弱い私は、（１）の意味がまだ全部理解できません、が、また繰り返し呼んでみて努力してみます。
ありがとうございました。

回答No.2

tonamoni

（１）もともとのスピーカーを振動させているエネルギーが、プラスチックコップを伝わって、音を大きく出す効率があがったのです。その分、音質はさがり原音の再現性は減衰しています。音の密度が下がり、音量を上げることになったということです。

（２）光がシャボンの膜で屈折したために干渉を起こして弱まったり強まるするムラができているだけで、光の総量は変化していないはずです。かすかにシャボンの膜を通るときに光のエネルギーが熱に変わっているかもしれませんが、考慮しなくてもよい程度でしょう。

お礼

早速のご回答ありがとうございます。
（１）で、「音の密度が下がる」とは、具体的にはどういうことなのでしょうか？。素人には、「」＝音が小さく聞こえる・と思えてしまうのですが・・・

回答No.1

SteveStrawb

(1) どこからもエネルギーは新たに発生も消費もしていません。コップを付けないでいると空気中に拡散していた音波が、コップを付けることによってそこに集中してコップを振動させているだけの事です。

(2) この場合もなんらエネルギーは得ていません。エネルギーは関係ありません。その波長の合成により振幅が大きくなっているだけです。

お礼

早速のご回答ありがとうございます。
（２）で、例えば、「ＣＤに自然光が当たると虹色の線が見えますが、この赤色に見えるの部分に青色または赤色のレーザーを当てると（もちろん光源と目の位置は同じで）青または赤のどちらかは反射光が弱まる、または強まる」と思うのですが、これをエネルギーの観点で見た場合、一見エネルギーの保存則に反しているように感じましたので、今回の質問をさせていただきました。
つまり上の例で、赤色の光が干渉で強まっているのであれば、そのことを繰り返して労せずして光を増幅できます。
反対に青色の光が弱まっているのであれば、素人にはエネルギーが消えたように見えます。そんなことはないと思うのですが、どこで勘違いがあるか解りませんでしたので質問させていただきました。
毎回質問の仕方が稚拙で、皆様には貴重な時間を割いていただき申し訳なく思っています。もしお時間があれば、ご教授頂きたく補足いたします。