はじめに
振動と波動は日常よく目にし，体験する物理現象である．バネに取り付けら れた物体の振動，振り子，交流回路の電気振動などは典型的な振動現象であ る．波動は物理量の振動が周囲に伝搬する現象である．弦楽器の振動と，それ に伴って生ずる音，水面や海に立つ波，地震波，あるいは光や電波などの電磁 波は代表的な波動現象である．このように，振動と波動は普遍的な現象で，振 動の対象やそれを伝える媒質は多種多様である． 振動と波動は，それだけで独立した学問ではなく，力学，電磁気学，連続体 （弾性体，流体）の力学，熱力学を基礎としている．振動は力学の範囲に含ま れる対象もあるが，交流回路の電気振動のように，電磁気学と力学の融合した 場合もある．弾性波は物質の弾性的性質と力学的性質によって生ずる波動であ る．日常耳にする音波の速さは空気の弾性的性質と熱力学的性質で決まる．水 波は水に働く重力と表面張力によって生ずる．水の各部分は回転運動をし，そ の結果，水波が生ずるのである．また，流体の運動を記述するベルヌーイの定 理が水波の速さの重要な決定要因となる．このように，水波は私達が最もよく 目にする波であるが，縦波でも横波でもなく，その機構は複雑である．筆者は 読者の皆さんが本書の例題と問題演習を通して，振動と波動の背景にある物理 を理解していただきたいと願っている． 振動と波動は純粋物理学の対象であるだけではない．例えば，振動を軽減す ることは実用上重要な課題である．衝撃を軽減するダンパーは，油が孔を通 るときの粘性抵抗を利用した装置で，減衰振動の物理が背景にある．このよう に，振動と波動は材料，機械，電気・電子，土木・建築などの工学分野でも重 要な基礎学問である． 本書では，振動と波動の基本的で重要な部分を広くカバーできるように，各 章の内容のまとめと30の例題，および発展問題を配置した．振動と波動の基 本的な部分は高校の物理で学んだ人も多いと思われるので，音波に関すること を除いて，高校の物理で扱われる内容はほとんど扱っていない．その代わり，iv はじめに 高校の物理の教科書では結果のみが記されている波動の速さやエネルギー，あ るいは波動がエネルギーを運ぶことについては，その機構が理解できるように 例題と発展問題を多めに選んだ． 振動と波動は力学，電磁気学，連続体の力学，熱力学を一度学んだことがあ る人にとっては理解しやすいと思われるが，これらを現在学びつつある大学 初年次の学生のような初学者には難しい面がある．そのような人にも内容の理 解が得やすいように，例題と発展問題の解答は，図を入れて詳しく書いた．ま た，理解の助けとなるように，2階の線形微分方程式，LCR回路の電流と起 電力，弾性率，水波に関係した物理の補足を付録に記した． 筆者は大学初年次の学生に対して振動・波動の講議経験があるとはいえ，振 動・波動に造詣が深いわけではない．そのために記述に改善すべきところもあ ると思う．そのような点にお気付きの場合は，是非お知らせいただきたい．本 書を書くにあたっては，先達の著書を多く参考にさせていただいた．最後に， 貴重な助言をいただいた編集委員の須藤彰三先生と岡真先生，ならびに校正そ の他にわたりお世話になった共立出版株式会社の島田誠氏にお礼申し上げる． 2014年4月 田中秀数
