縦波

縦波とは、波の進行方向と平行な方向に振動し、媒質の変位が波の伝播方向と同じ（または反対の）方向になる波のことです。機械的な縦波は、媒質を伝わる際に圧縮と膨張を生み出すため圧縮波とも呼ばれ、圧力の増減を生み出すため圧力波とも呼ばれます。コイル間の距離が増減する、伸ばしたスリンキーのおもちゃの長さに沿った波は、縦波を視覚的に理解するのに適しています。現実世界の例としては、音波（弾性媒質中を伝わる圧力、変位、速度の振動）や地震のP波（地震や爆発によって発生する）などがあります。

もう一つの主要な波の種類は横波で、媒質の変位が伝播方向に対して直角になります。例えば、横波は固体材料中の音波の一部を記述します（ただし、流体中では記述しません）。これらの波は、これらの材料が支持する（縦方向の）圧力波と区別するために「せん断波」とも呼ばれます。

「縦波」と「横波」は、便宜上、著者によってそれぞれ「L波」と「T波」と略記されている。^{[ 1 ]} これらの2つの略語は、地震学（L波はラブ波^{[ 2 ]}または長波^{[ 3 ]}）や心電図（ T波を参照）において特定の意味を持つが、一部の著者は代わりに「ℓ波」（小文字の「L」）と「t波」を使用することを選択した。ただし、これらは一部の一般向け科学書を除いて、物理学の文献ではあまり見られない。^{[ 4 ]}

縦波の調和音波の場合、周波数と波長は次の式で表すことができます。

${\displaystyle \ y(x,t)=y_{\mathsf {o}}\cdot \cos \!{\Bigl (}\ \omega \cdot \left(t-{\tfrac {\ x\ }{c}}\right)\ {\Bigr )}\ }$

どこ：

${\displaystyle \ y\ ~~}$ は、進行する音波上の点の変位である。

${\displaystyle \ x\ ~~}$ は、その地点から波の発生源までの距離です。

${\displaystyle \ t\ ~~}$ 経過時間です。

${\displaystyle \ y_{\mathsf {o}}\ }$は振動の振幅 です。

${\displaystyle \ c\ ~~}$ は波の速度であり、

${\displaystyle \ \omega ~~}$これは波の角周波数 です。

数量${\displaystyle \ {\frac {\ x\ }{c}}\ }$波がその距離を伝わるのにかかる時間${\displaystyle \ x~.}$

通常の周波数（${\displaystyle \ f\ }$波の ) は次のように与えられる。

${\displaystyle f={\frac {\omega }{\ 2\pi \ }}~.}$

波長は、波の速度と通常の周波数の関係として計算できる。

${\displaystyle \lambda ={\frac {c}{\ f\ }}~.}$

音波の場合、波の振幅とは、乱されていない空気の圧力と、波によって生じる最大圧力との差のことである。

音の伝搬速度は、音が伝わる媒体の種類、温度、組成によって決まる。

媒質中の波の減衰は、波が媒質全体を伝播する際に失われるエネルギーを表します。[ 5 ^]これは、界面での波の散乱、分子間の摩擦によるエネルギーの損失、または幾何学的発散によって引き起こされます。^{[ 5 ]}材料中の弾性波の減衰の研究は近年増加しており、特に多結晶材料の研究において、研究者は「工学部品の損傷の程度を非破壊的に評価する」ことや「微細構造を特徴付けるための改良された手順を開発する」ことを目指しています。^{[ 6 ]}

上述の流体中の音の式は、弾性固体中の音波にも適用されます。固体は横波（地震学ではS波として知られています）も支持しますが、固体中の縦波音波は、その物質の密度と剛性に依存する速度と波のインピーダンスを持ち、後者は（気体中の音と同様に）物質の体積弾性率によって記述されます。^{[ 11 ]}

2022年5月、NASAはペルセウス銀河団の中心にあるブラックホールの音響化（圧力波に関連する天文データを音に変換すること）を報告した。^{[ 12 ] [ 13 ]}

マクスウェル方程式は真空中の電磁波の予測につながりますが、これは厳密には横波です。振動する粒子が必要であるため、波を構成する電場と磁場は波の伝播方向に対して垂直になります。^{[ 14 ]}しかし、プラズマ波は縦波です。これは電磁波ではなく、荷電粒子の密度波ですが、電磁場と結合することができます。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

ヘヴィサイドがマクスウェル方程式を一般化しようと試みた後、ヘヴィサイドは電磁波は「自由空間」または均質な媒体では縦波として見られないという結論を下した。 ^{[ 17 ]}現在私たちが理解しているマクスウェル方程式は、この結論を維持している。自由空間またはその他の均質な等方性誘電体では、電磁波は厳密に横波である。しかし、電磁波は複屈折性物質、または特に界面における不均質な物質を通過する際に、電場および/または磁場に縦方向の成分を示すことがある（例えば、表面波）。例えば、ゼンネック波などである。^{[ 18 ]}

現代物理学の発展において、アレクサンドル・プロカ（1897～1955）は、質量を持つベクトルスピン1中間子に適用される、彼の名を冠した相対論的量子場方程式（プロカ方程式）を開発したことで知られています。近年、スウェーデン王立協会のジャン＝ピエール・ヴィジェやボー・レーネルトなどの他の理論家は、プロカ方程式を用いて、マクスウェル方程式の縦方向電磁成分として光子の質量を実証しようと試み、縦方向電磁波がディラック偏極真空中に存在し得ることを示唆しました^{[ 19 ]} 。しかし、光子の静止質量はほぼすべての物理学者によって強く疑われており、物理学の標準模型と矛盾しています。

• 横波
• 音
• 音波
• P波
• プラズマ波

• Varadan, VK、およびVasundara V. Varadan、「弾性波の散乱と伝播」。粒状媒体における超音波圧縮波の散乱による減衰– AJ Devaney、H. Levine、および T. Plona。ミシガン州アナーバー、Ann Arbor Science、1982 年。
• Schaaf、John van der、Jaap C. Schouten、および Cor M. van den Bleek、「気体-固体流動床における圧力波の実験的観察」。アメリカ化学工学会。ニューヨーク州ニューヨーク、1997 年。
• Krishan, S.; Selim, AA (1968). "非線形波-波相互作用による横波の生成". Plasma Physics . 10 (10): 931–937 . Bibcode : 1968PlPh...10..931K . doi : 10.1088/0032-1028/10/10/305 .
• Barrow, WL (1936). 「中空金属管における電磁波の透過」。Proceedings of the IRE . 24 (10): 1298–1328 . doi : 10.1109/JRPROC.1936.227357 . S2CID 32056359 . 
• ラッセル、ダン、「縦波と横波の運動」。音響アニメーション、ペンシルベニア州立大学、音響学大学院プログラム。
• 縦波（アニメーション付き）「物理学教室」