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気柱振動現象の体系的理解に向けた開口端反射の本質解明

Research Project

Project/Area Number 20H00925
Research Category

Grant-in-Aid for Encouragement of Scientists

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section 2140:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, fluid engineering, thermal engineering, mechanical dynamics, robotics, and related fields
Research Institution奈良県立奈良高等学校

Principal Investigator

Nakano Sumiaki  奈良県立奈良高等学校, 教諭・SSH事業推進課長

Project Period (FY) 2020-04-01 – 
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥300,000 (Direct Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥300,000 (Direct Cost: ¥300,000)
Keywords音波 / 気柱 / 開口端反射
Outline of Research at the Start

気柱振動は、中空管内の空気(気柱)が振動する現象であり、我々の社会生活とも深い関わりのある物理現象である。気柱振動の特性としては、一般に「中空管の開口端や閉口端で反射し、その際、開口端では自由端反射、閉口端では固定端反射する」といった説明がなされる。このように、気柱振動を体系的に語る上で、気柱振動が開口端で反射するとされる開口端反射は、閉口端での反射(閉口端反射)と共に重要な位置づけとなっている。しかしながら、開口端反射のメカニズム解明は十分進んでおらず、その解釈も定まっていない。本研究では、こうした実態を受け、計算機シミュレーションと実機試験の両面から開口端反射の本質を追究する。

Outline of Final Research Achievements

中空管内の空気(気柱)の振動現象、いわゆる気柱振動は、中空管の開口端や閉口端で反射するとされ、前者は開口端反射、後者は閉口端反射と呼ばれる。このうち、開口端反射については、その本質がこれまで十分明らかにされていない。
そこで、本研究では、開口端反射の本質を計算機シミュレーションと実機試験の両面から追究した。その結果、気柱振動が開口端に達すると、開口端の角部で同心円状の回折波が生じ、それと一体をなすように発生する同心円状の波が中空管内にも逆伝播し(この逆伝播波を逆回折波と呼ぶ)、当該逆回折波が開口端からの反射波であるかのように振る舞うという開口端反射の巨視的な発生機構提起に至った。

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

高等学校の物理教育現場では、波動分野の重要現象として気柱振動が扱われるが、気柱振動を体系的に語る上で重要な位置づけにある「開口端反射」への理解が十分進んでいない中で指導されているのが実態である。本研究成果は、こうした状況の改善に向けた重要な基礎的データとなり得るものである。
今後、本研究を発端にさらなる追究が重ねられ、開口端反射の本質解明、ひいては気柱振動の体系的理解が進むことが望まれる。

Report

(2 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • Research Products

    (4 results)

All 2021 2020

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (2 results)

  • [Journal Article] シュリーレン法を用いた気柱振動発生後における開口端近傍の音場観察:開口端反射の本質追究の一環として2021

    • Author(s)
      仲野純章,山脇寿
    • Journal Title

      科学教育研究

      Volume: 45

    • NAID

      130008101518

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Preliminary Study to Support Sound Wave Concept Formation2020

    • Author(s)
      NAKANO Sumiaki
    • Journal Title

      Journal of Research in Science Education

      Volume: 61 Issue: 1 Pages: 129-138

    • DOI

      10.11639/sjst.19061

    • NAID

      130007882584

    • ISSN
      1345-2614, 2187-509X
    • Year and Date
      2020-07-31
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 気柱振動における開口端反射の本質解明に向けた予備的評価:開口端の外径変化に伴う反射波の波形変化2020

    • Author(s)
      仲野 純章、山脇 寿
    • Organizer
      日本理科教育学会 第70回全国大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 気柱振動における開口端反射の本質解明に向けた予備的評価:発信周波数変化に伴う反射波の量的変化2020

    • Author(s)
      仲野 純章、山脇 寿
    • Organizer
      日本理化学協会 令和2年度全国理科教育大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2023-03-23  

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