魔法瓶を耳のそばに当てると、ブーンという音が鳴ります。中にはどんな不思議な物質が入っているのでしょうか？

子どもの頃、私は両親と一緒にショッピングモールに行き、魔法瓶を選びました。こんな経験があります。魔法瓶の内側のライナーに息を吹き込み、そのライナーを耳の横に当てたのです。非常にはっきりとしたブーンという音がする場合は、ライナーの保温性が優れていることを意味します。

この方法は非常に実用的ですが、なぜそうなのか考えたことがありますか?この背後にはどのような科学的根拠があるのでしょうか?

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音波の発生と共鳴現象

この質問を理解するには、まず音波がどのように生成されるのか、共鳴現象とは何かを理解する必要があります。

音波は物体の振動によって生成される機械的な波です。音は媒体（空気、水、固体など）を通過し、音源が振動すると、媒体内に圧縮領域と希薄領域が生成され、音波が生成されます。音波の周波数によって私たちが聞く音の高さが決まり、音波の振幅によって音の大きさが決まります。

音叉共鳴

**共振現象とは、物体が固有振動数と同じかそれに近い外部振動を受けると、大きな振幅の振動を生じる現象を指します。 **共鳴現象は日常生活で非常に一般的です。たとえば、ギターの弦を弾くと、その弦が振動するだけでなく、その弦に調律されている他の弦も共鳴して音が出ます。同様に、魔法瓶のハミング音も共鳴現象の結果です。

魔法瓶のブーンという音の原因

魔法瓶の基本構造は、外殻、ボトルライナー、ボトルキャップから構成されていることはご存じのとおりです。ボトルコアは魔法瓶の中心部分で、通常は中間に真空層がある二重ガラスで作られています。この設計により、熱伝導と熱対流を効果的に遮断し、ボトル内の液体の温度を維持できます。ボトルの二重構造は保温性だけでなく、外部の騒音を遮断することもできます。

魔法瓶の基本構造

まず、湯たんぽに息を吹き込んで耳に当てると、なぜ一定のブーンという音が聞こえるのかについて説明します。息を吹き込むと、ボトル内の空気が振動するからです。この振動は魔法瓶内の特定の空間条件下で特定の周波数の定在波を形成し、この定在波が音源となります。実際、 「空気柱」を含むあらゆる容器はこのように音を出すことができ、多くの管楽器はこの原理に基づいて音を出しています。

では、なぜ断熱性に優れたライナーの方が、より大きな音とより長く続く音を生み出すのでしょうか?これには、断熱性能の良い魔法瓶と断熱性能の悪い魔法瓶の違いを比較する必要があります。魔法瓶の保温効果は主に熱伝導の遮断にかかっており、内筒は内層と外層の2層で構成され、この2層の間には可能な限り真空状態が形成されます。真空度が高ければ高いほど断熱効果は高くなります。このように、「大きくて持続的な音」という現象は、内層と外層の間の真空が熱伝導を遮断するだけでなく、「空気柱」内の定在波のエネルギー散逸を大幅に削減するため、簡単に理解できます。エネルギーの散逸が少ない定在波は、当然ながら、より大きく、より長く続く音を生み出します。

さて、元の質問に戻りましょう。保温性能の高い魔法瓶を耳のそばに置くと、風を送っていなくてもなぜブーンという音が聞こえるのでしょうか。これは実際には、魔法瓶内の気柱が周囲の空気中の「ホワイトノイズ」を選択するためです。私たちの周囲の空気は実際には絶えず振動して音を出していますが、この振動には固定された周波数がなく、情報を伝えない一種の「ホワイトノイズ」です。魔法瓶内の気柱は、このホワイトノイズに対してフィルタリング効果を持ち、「気柱」の固有周波数に一致する音を選択することができます。前回紹介したように、物体がその固有振動数と同じかそれに近い外部振動を受けると、共振が発生します。したがって、私たちが聞くブーンという音は共鳴の効果です。ここで、ホワイトノイズは「吹く」ことに似た役割を果たします。しかし、「気柱」によって発生する音は非常に弱いため、魔法瓶のエネルギー放散が遅く、保温性能が優れている場合にのみ、この弱い音が聞こえます。

生命におけるその他の共鳴現象

子どもの頃、海に行ったとき、耳のそばにホラ貝を当てると海の音が聞こえるよ、と親が言うのを聞いたことがある人も多いと思います。では、なぜ浜辺の貝殻は海の音を発するのでしょうか?これらの音はどこから来るのでしょうか?

実はこの現象は「砲弾共鳴」と呼ばれており、その原理は魔法瓶がブーンという音を立てる原理と同じなのです。一言で言えば、耳の周りの騒音が貝殻によって増幅されるということです。私たちは通常、風の音、電子機器のハミング音、通り過ぎる車の音など、さまざまなノイズに囲まれた環境にいます。私たちの周りのこれらすべての音が加算されて、固定周波数のノイズ、つまりホワイトノイズが形成されます。

ホワイトノイズはどこにでもあるため、私たちの脳はそれを自動的にフィルタリングし、耳も自動的にそれに適応するため、ほとんどのノイズを聞くことができません。シェルの外部からの振動または音の周波数がシェル空洞の固有周波数と同じ場合、共鳴が発生し、音が増幅されます。

貝殻で耳を覆うと共鳴空洞が形成されます。貝殻の形状や大きさに応じて、特定の周波数の音が増幅されます。殻は耳の周りの音波を集め、殻の中で共鳴させるので、私たちは周囲の騒音を聞いたり、周囲の騒音を増幅したりすることができます。貝殻の中の空気が不安定に振動するため、共鳴音が波の音に似ており、まるで海の音であるかのような美しい錯覚を覚えるのです。実は、貝殻の中の海の音は海とは何の関係もありません。

企画・制作

出典丨Popular Science of Physical Science (ID: lxcp_cstam)

編集者：鍾延平

校正：徐来林

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