糸電話で声が聞こえるのはなぜ?
糸電話で声が聞こえるのは、話した声の振動が紙コップの底を震わせ、その振動が糸を通って相手の紙コップまで届くからです。相手側のコップの底が震えると、今度はその近くの空気が振動し、耳に声として聞こえます。
糸電話は電気を使って声を送っているわけではありません。紙コップと糸を通して、音の振動を運んでいるのです。
声が相手に届くまでの仕組み
普通に話すときは、声によって生まれた空気の振動が広がり、相手の耳へ伝わります。糸電話では、その振動を紙コップと糸を使って届けます。
- 話す人の声が空気を震わせる:紙コップに向かって話すと、コップの中の空気が振動します。
- 紙コップの底が震える:中の空気の振動を受けて、薄い紙コップの底が細かく動きます。
- 糸に振動が伝わる:コップの底につながる糸が、その小さな動きを相手のコップへ伝えます。
- 相手のコップが音を出す:糸から伝わった振動で相手側のコップの底が動き、コップの中の空気を震わせます。
- 耳に声として届く:その空気の振動を耳が受け取り、話した言葉が聞こえます。
日本化学会の「化学だいすきクラブ」や鹿児島大学も、糸電話はコップと糸の振動によって声を伝えると説明しています。糸そのものが相手の場所まで移動するのではなく、振動が糸に沿って進むことがポイントです。
糸をピンと張ると、なぜ声が聞こえやすくなる?
糸電話を使うときは、二人で離れて立ち、糸を軽くピンと張ります。たるんでいると、紙コップの底の小さな動きが糸の先まで十分に伝わりにくくなり、声が小さく聞こえたり、聞き取りにくくなったりします。
反対に、糸が適度に張られていると、コップの底から糸に伝わった振動が相手側まで届きやすくなります。だから、同じ声の大きさでも、糸の張り方によって聞こえ方が変わるのです。
ただし、力いっぱい引っ張る必要はありません。強く引きすぎると、糸が抜けたり紙コップの底が破れたりすることがあります。たるまない程度に張るのが基本です。
糸の途中を指でつまむとどうなる?
糸を張ったまま、途中を指で軽くつまむと、相手の声が聞こえにくくなることがあります。指が糸の動きを抑え、振動の一部を吸収してしまうからです。
科学館エクスプロラトリアムの実験でも、糸をつまむと声が届きにくくなることが紹介されています。同じ理由で、糸が机の角や壁などに触れていると、振動が別の物へ逃げ、聞こえ方が変わる場合があります。
糸を張るだけでなく、途中を何かに触れさせず、自由に振動できる状態にすることが大切です。
紙コップが必要なのはなぜ?
糸だけを口に近づけて話しても、声の空気の振動をうまく糸へ伝えられません。紙コップには、声を受け止めて底を震わせる役割があります。
特に薄い紙コップの底は、小さな音でも動きやすく、糸へ振動を伝えるのに役立ちます。相手のコップでは逆に、糸の振動を空気の振動に変えて、耳に届けています。
イリノイ大学の物理教育資料では、金属の缶よりも、底が動きやすい紙コップのほうが効率よく音を伝えられる場合があると説明しています。糸だけでなく、コップの素材や底の動きやすさも聞こえ方に関係するのです。
紙コップ2個で糸電話を作る方法
用意するものは、紙コップ2個、約2メートルの糸、短く切ったストロー2本、はさみ、穴を開ける道具です。日本化学会の実験では、紙コップの底に通した糸を短いストローに結んで固定しています。
- 底に穴を開ける:紙コップ2個の底の中心に、糸が通る小さな穴を開けます。先のとがった道具を使う作業は大人が行います。
- 糸を通す:それぞれの紙コップの外側から穴へ、糸の端を通します。
- 糸の端を固定する:コップの内側に出た糸を短いストローに結び、引っ張っても穴から抜けないようにします。
- 二人で離れる:一人が片方の紙コップを持ち、糸がたるまない位置まで離れます。
- 交代で話す:一人はコップの口に向かって話し、もう一人は自分のコップを耳に当てて聞きます。次に役割を入れ替えます。
最初は静かな部屋で、短い言葉を使って試すと違いが分かりやすくなります。紙コップの穴を大きくしすぎたり、糸の固定が緩かったりすると、振動が伝わりにくくなることがあります。
糸電話の聞こえ方を比べる実験
同じ糸電話でも、糸の状態を変えると聞こえ方が変わります。次の三つを、一つずつ比べてみましょう。
- 糸をピンと張る:まず基本の状態で、相手の言葉がどのくらい聞こえるか確かめます。
- 少したるませる:二人の距離を近づけ、同じ声の大きさで話してもらい、聞こえ方を比べます。
- 糸の途中に軽く触れる:糸を張ったまま、途中に指をそっと当てて、声の聞こえ方が変わるか確かめます。
条件を変えるときは、話す人の声の大きさをなるべく同じにすると比べやすくなります。また、糸の種類や長さを変えて実験することもできます。日本物理教育学会の研究発表でも、糸やコップの違いによって音の聞こえ方がどう変わるかを調べています。
糸が長いほど振動は途中で弱まりやすくなりますが、聞こえ方は長さだけでは決まりません。糸の材質、張り具合、コップの形なども関係します。
作るとき・遊ぶときの注意
紙コップの底に穴を開けるときは、先のとがった道具でけがをしないよう、必ず大人と一緒に作ってください。糸を通路に張ると、人が引っ掛かって転ぶおそれがあります。周りに人が通らない場所を選びましょう。
紙コップは口や耳に近づけて使うため、二人で使うときはそれぞれ自分のコップを決め、共有しないようにします。小さな子どもが遊ぶときは、糸を首に巻き付けたりしないよう、大人が見守ってください。