音速以上の風の中で音は聞こえるの？

質問

海王星では約４００ｍ/秒の風が吹いていると聞きました。

これは音速以上ですが、この風の中で風下の音を、風上の人が聞くことは可能でしょうか？

また、風上からの音は風下の人に、どのように聞こえるのでしょうか？

高校物理レベルで理解できるご回答をお願いします。

回答No.6

hiross · ベストアンサー

風が止んだというのは系の変換で次のように置き換えられます。（ガリレイ変換といいます。）

超音速の風が突然止んだ場合：
無風の状態で、静止している人に向かって超音速で向かってくる人が「あいうえお」と言った。
（観測者は風が止んでから聞くことになるのでずっと静止していたことにしています。）
そこで、音波の性質について考えてみます。
音波は発信された地点を中心として同心円（球）状に広がります。そして発信されたときから約340ｍ/ｓ（常温下）の速度で広がります。この速度というのは空気に対して広がるという意味なので、静止している人が発信しても、動いている人が発信しても、伝わる速度は変わりません。

以上をふまえると、発信者が音速以上で観測者に向かっている場合には「あ」という音波よりも早く発信者が観測者に近づいてしまいます。だから「い」という音波が発信されたときには「あ」よりも「い」の方が観測者に近づいています。このために「あいうえお」というと「おえういあ」と逆になってしまいます。

(これをドップラー効果の公式に当てはめてみると観測者の音の周波数がマイナスになりますが、マイナスの周波数なんてないので、位相が逆になると考えられます。これは波動方程式の時間の符号を変えた場合と同じになるので時間の位相が逆になると考えられ、音が逆に聞こえると言うことが式の上からも読みとれます。)＜＝少し無理矢理

音速と同じ風が吹いていたが、その風がやんだ場合：
無風の状態で、静止している人に向かって音速で向かってくる人が「あいうえお」と言った。

この場合音速と同じ速度で向かってきているので「あいうえお」は全て一緒になり、合成されます。これはものすごい密度になるので衝撃波と呼ばれています。ドップラー効果の超強力というのは観測者の聞く周波数が無限大に発散するためです。

以上全て高校2年程度です。

お礼

わかりやすいご回答ありがとうございました。
理解が遅いため、お手数をおかけしました。
この回答で、とてもよくわかりました。

お礼が遅くなり申し訳ありませんでした。

回答No.5

hiross

風上にいる人をA、風下にいる人をBとすると

音速以上の風が吹いている場合、AはBからはなにも聞こえません。これは音の媒体が空気であるためです。
音速以上の風が吹いている地点から充分離れた地点（風上：無風）でいる人：このような場合でも、同じ理由で聞こえません。

またAから音を発した場合では聞こえます。その場合、音速+風の速さで伝わりますが、音の高さは変わりません。

F=(V-u)/(V-u)f=f　(F:Bの周波数 f:Aの周波数 V:音速　u:風の速さ)となるためです。）（uの符号は取り方による）

また音速以上の風が吹いていたが、その風がやんだ場合、このときはBがはじめに聞き、その後Aが聞くことになります。風が吹いていたときにBが「あいうえお」と言っていたのであれば、「おえういあ」と聞こえてきます。

また音速と同じ風が吹いていたが、その風がやんだ場合、このときは衝撃波となってAをおそいます。Bは被害なし。衝撃波とは音速と同じ速度で起こる現象で、ドップラー効果の超強力なやつです。超高音なので耳には聞こえてきません。

補足

ご回答ありがとうございます。

下記２点について、もう少し詳しく教えていただけないでしょうか。
とても興味がありますので、よろしくお願いします。

＞また音速以上の風が吹いていたが、その風がやんだ場合、このときはBがはじめに聞き、その後Aが聞くことになります。風が吹いていたときにBが「あいうえお」と言っていたのであれば、「おえういあ」と聞こえてきます。

＞また音速と同じ風が吹いていたが、その風がやんだ場合、このときは衝撃波となってAをおそいます。Bは被害なし。衝撃波とは音速と同じ速度で起こる現象で、ドップラー効果の超強力なやつです。超高音なので耳には聞こえてきません。

回答No.4

noname#30

地球上で音速以上の風が吹いていたと仮定します。
　この状況の中で「空気を媒体とする音という波」を発生させる装置やそれを聞く機械を私は知りませんが、仮に可能であったとします。
　まず、風上側ですが、音波は一切伝わりませんので、何も聞くことはできません。
　風下側には、音は音速＋風速の速度で伝わります。相対的な周波数も高められるために思ったよりも高音となっているはずです。次ぎに、風上側へ伝わろうとして、結局風下側へ流されてしまった音を聞くことができます。この音は観測者に対して風速－音速の速度で近づきます。音の周波数は低くなっているはずです。
　さて、音源の真横に観測者がいたとしたらどうでしょうか。正解は、例え１m横にいたとしても観測者のもとへ音が伝わることはありません。音が伝わる以上の速度で音源と観測者の間に新しい空気が流れ込んでしまうためです。

回答No.3

basil

結論から言うと、条件不足のため結論が出ません。

質問内の条件を整理します。
　１）観測地は海王星である。
　２）風速 約４００ｍ/秒の風が吹く
　３）音の発信源は観測者より風下方向にある。
この条件を言い換えると...
　Ａ）音を伝達する媒体は海王星上の気体である。
　Ｂ）音を伝達する媒体と観測者との相対速度は
　　　約４００ｍ/秒である。
となります。
しかし、これだけでは結論を導くのに条件不足です。
他に、媒体が音を伝達する速度が必要です。
yuji69さんは音速を地球上の気体成分＆温度＆気圧等で
考えられているようですね。
わたしは海王星の大気を媒体として音を伝達した場合、
どの程度の速度で伝わるかの案がありません。

仮に地球上と同じと考えた場合、
音速は通常４００ｍ/秒よりも遅いので
発生した音は媒体上を伝わる際に
媒体の進む速度を越えられず、
観測者までは届きません。
つまり、音は聞こえません。
たとえば、流れの速い川の流れに
石を投げ込んだとします。
石によって起こった波紋は速い流れに流されて
上流方向に伝わることはありません。

また、風上方向で発生した音波は
媒体の速度の分、速く伝わります。
音源と観測者との距離は一定ですので
ドップラー効果などは起こりません。
音の発生から観測までの時間が早くなるだけです。
上と同様に川で例えると、
上流で発生した波は下流の観測者まで届くでしょう。
しかも、流れの速さの分
届くまでの時間が短くなります。

回答No.2

noname#25358

補足です。
　正解は聞こえます。
　ただし条件が付きます。その音速を超えた速度で飛ぶ物体（この場合は風そのもの）から充分に離れていた場合に限ります。
　なぜなら、音速を超えた物体は衝撃波を放ちますから、冥王星は（理論上）降り立った瞬間に衝撃波で衣服なんかがボロボロになってしまうことになります。当然、鼓膜なんかひとたまりもありません。

　ただし、これは飽くまでも大気が地球と同じだった場合です。冥王星の大気は一般にメタン、窒素、二酸化炭素であると言われていますが、たしかなことは分かっていません。
　よって、「秒速４００ｍ」という速度が本当に（冥王星の大気に対して）音速を超えているのかどうかは分かりません。

補足

皆さん、早々のご回答ありがとうございます。

海王星の話を最初に書いてしまったので、話をややこしくしてしまいました。申し訳ありません。
「この風がもし地球上で吹いている、と仮定した場合」と書くべきでしたね。

海王星には、大暗斑（木星の大赤斑と同じメカニズム）の周囲で時速2000Kmの風が吹いているようです。地上ではないでしょうが･･･。
また、大気の組成は、水素(80%)、ヘリウム(15%)、メタン(5%)のようです。
（詳しくはhttp://www.planetary.or.jp/group_nepture.html）

basilさんのご回答が私にはしっくりくるのですが、
deagleさんのご回答の「正解は聞こえます。」というのが気になります。

音速以上の風が吹いている地点から充分離れた地点（風上：無風）でいる人に、上記の風の中で発せられた音が聞こえるということでしょうか。

basilさんのご回答と矛盾するように思うのですが、もう少し詳しく教えて頂けないでしょうか。
よろしくお願いします。

回答No.1

otsuge

確信はないのですが、ごいっしょに考えてみましょう。その風速は惑星の自転速度から推定したものではないでしょうか。地球も自転によって発生する気流がありますが、対流圏と呼ばれる輻射熱や地形など、地表面の影響を受ける低高度では、摩擦によって風速はずっと小さくなります。だから海王星も生き物が立っていられるような場所はずっと風速が小さいのではないかと。
で、風上には音は伝わらないと思います。秒速400mの飛翔体が発する音と考えれば、受け側は圧力変化が伝わるより速く遠ざかっていることになるんじゃないかと。
それと、海王星の大気組成や圧力によって音速は少し変わってきますが、一桁上にまではならないと思います。水中の音速でさえ、2000mの下くらいですから。
旅客機に乗ると、エンジンより前の席は驚くほど静かなのに対し、後部席は結構排気音が伝わりますね。旅客機の巡航速度は、音速の0.92倍くらいです。
解剖学的には、音速付近でかすかな振動を知覚できる聴覚器官というのは考えにくいですね。
こんなところで失礼します。

参考URL：

全然自信なし