リップルタンク

物理学において、波紋タンクは、波の基本的な特性を示すために使用される浅いガラスの水タンクです。これは、波タンクの特殊な形式です。通常、波紋タンクは上から照らされ、光が水を通して輝きます。いくつかの小さな波紋タンクはオーバーヘッドプロジェクターの上に収まり、下から照らされます。水の波紋は、タンクの下のスクリーンに影として表示されます。反射、屈折、干渉、回折など、波の基本的な特性をすべて示すことができます。

波紋は、タンクの上にゴムバンドで吊り下げられ、表面にちょうど触れる程度に置かれた木片によって発生することがあります。木片には、軸に偏心した重りが付いたモーターがねじ止めされています。軸が回転すると、モーターが揺れ、木片が揺れて波紋が発生します。

波紋タンクでは、平面波、反射、屈折、干渉、回折など、 さまざまな波の特性を実証できます。

リプラーを水面にちょうど触れる程度まで下げると、平面波が発生します。

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  リプラーのクローズアップ – 茶色の長方形は振動するパドルです

リプラーに先端の球状のボールを取り付け、水面にちょうど触れる程度まで下げると、円形の波が発生します。

タンク内に金属棒を置き、木の棒を軽くたたくと、3 つまたは 4 つの波紋のパルスが金属棒に向かって送信されます。波紋は棒から反射します。棒が波面に対して斜めに配置されている場合、反射波は反射の法則に従っていることがわかります。入射角と反射角は同じになります。

凹面の放物面障害物を使用すると 、平面波パルスは反射後、ある点に収束します。この点がミラーの焦点です。波紋タンクに水を一滴落とすと、円形波が生成されます。これを「ミラー」の焦点で実行すると、平面波が反射されます。

タンクにガラス板を置くと、タンク内の水深はガラスの上では他の部分よりも浅くなります。水中の波の速度は深さによって異なるため、波紋はガラスの上を通過するときに遅くなります。これにより、波長が短くなります。深い水と浅い水の接合部が波面に対して斜めになっている場合、波は屈折します。上の図では、波が法線に向かって曲がっているのがわかります。法線は点線で示されています。破線は、波が斜めのガラス板に当たらなかった場合に波が進む方向です。

実際には、リップルタンクで屈折を示すのは非常に難しいです。

• ガラス板はかなり厚くする必要があり、その上の水はできるだけ浅くする必要があります。これにより深さの差が最大になり、速度の差が大きくなり、角度も大きくなります。
• 水が浅すぎると、粘性抵抗の影響で波紋がすぐに消えてしまいます。
• ガラスの端での反射を最小限に抑えるには、ガラスの端を滑らかにする必要があります。

波紋の経路に小さな障害物を配置し、低周波を使用すると、波紋がその周囲で屈折するため、下の右側に示すように影の領域は発生しません。周波数が速いと、下の右側に示すように影が発生する可能性があります。タンク内に大きな障害物を配置すると、影の領域が観察される可能性があります。

タンク内に小さな隙間のある障害物を置くと、波紋はほぼ半円形のパターンで現れます。ただし、隙間が大きいと、回折ははるかに制限されます。ここでの「小さい」とは、障害物のサイズが波紋の波長に匹敵することを意味します。

原子結晶格子からのX線の回折と同一の現象も見られ、結晶学の原理を実証しています。障害物の格子を水中に沈めると、その格子間の間隔が水の波の波長とほぼ一​​致するため、格子からの回折が見られます。格子と向かってくる波の間の特定の角度では、波は格子から反射するように見えますが、他の角度では波は通過します。同様に、波の周波数（波長）が変化すると、間隔、方向、波長の正確な関係に応じて、波は交互に通過したり反射したりします。

干渉は、メインのリップル バーに取り付けられた 2 つのディッパーを使用することで生成できます。下の図の左側の明るい領域は波の山を表し、黒い領域は谷を表します。灰色の領域に注目してください。これらは、2 つのソースからの波が互いに打ち消し合う、破壊的な干渉の領域です。右側は、円形のリップル タンクで生成された 2 点干渉の写真です。

• 毛細管波
• PSSC物理学– 波を説明するためにリップルタンクを多用した先駆的な中等学校物理学教科書
• 浅水方程式
• 波の水槽

• ブライトハウプト、ジム（2000）「上級レベルのための新しい物理学の理解」309〜312ページ、ネルソン・ソーンズ。ISBN 9780748743148 。

• リップルタンクのセットアップと使用方法
• Java オープンソース物理波紋タンクモデル