水を入れると、音は高くなる？低くなる？
鳴らし方で逆になります。コップのふちをたたくと、水が多いほど音は低くなります。ペットボトルの口をふくと、水が多いほど音は高くなります。このシミュレーターの計算では、次のように変わります（20℃）。
| 水の量 | あついコップをたたく | 500mlのボトルをふく |
|---|---|---|
| からっぽ | 約1610Hz（高いソ） | 約230Hz（とても低いラ♯） |
| 半分 | 約1560Hz（高いソ） | 約325Hz（低いミ） |
| 8わり | 約1350Hz（高いミ） | 約510Hz（ド） |
| 9わり | 約1220Hz（高いレ♯） | 約730Hz（ファ♯） |
コップをたたく音は、水が半分くらいまではほとんど変わらず、上のほうまで入れたときに大きく下がります。うすいコップのほうが、水による変わり方が大きくなります。ペットボトルをふく音は、水を入れるほどどんどん高くなり、9わりまで入れると、からっぽのときの3倍くらいの高さになります。じっさいの音の高さは、入れ物の形やガラスのあつさで変わります。
どうして逆になるの？
音は、ものがふるえることで出ます。ふるえ方が速いほど高い音、ゆっくりなほど低い音になります。
コップをたたくと、ガラスのコップそのものがふるえます。水が入っていると、コップといっしょに水もゆらさなければならないので、ふるえがゆっくりになり、音が低くなります。いっぽう、ペットボトルの口をふくと、ふるえるのは中の空気です。水を入れると空気の部分がせまくなり、空気が速くふるえるので、音が高くなります。
おうちの方向けに言うと、たたく音はコップのかべの曲げ振動で、水はかべといっしょに動く「付加質量」としてはたらきます。French（1983）のモデルでは、(水なしの周波数÷水ありの周波数)²＝1＋1.25×水の密度×半径÷(5×ガラスの密度×かべのあつさ)×(水の深さ÷コップの深さ)⁴ で、水面がふちに近いほど強くきいてきます。ふく音は、口の空気が中の空気をばねにして振動するヘルムホルツ共鳴で、周波数は空気の体積の平方根に反比例します。
おうちでの実験のやり方
- 同じガラスのコップを3〜5こ（または1こ）と、わりばし、計量カップを用意する。
- コップに水を0ml・100ml・200ml・300ml…と入れて、わりばしでふちを軽くたたき、音の高さをくらべる。
- 500mlのペットボトルに水を0ml・100ml・200ml…と入れて、口の横から息をふきかけて音を出し、くらべる。
- スマホのチューナーアプリがあれば、音の高さ（Hz）をはかって、このシミュレーターの予想とくらべる。
- 「ドレミを出す水の量」を見ながら、コップやボトルをならべて曲をえんそうしてみる。
コップは強くたたくとわれることがあります。わりばしやスプーンの柄で、軽くたたきましょう。うすいグラスは使わないか、おとなといっしょにあつかいます。ふくときは、つばや水がボトルに入りやすいので、終わったら中を洗いましょう。こぼれた水はすぐにふきます。
自由研究のまとめ方のヒント
横じくを「水の量」、たてじくを「音の高さ（Hz）」にして、たたいたときとふいたときの2本のグラフをかくと、反対の向きに変わることが一目でわかります。チューナーアプリがないときは、ピアノや鍵盤ハーモニカで同じ高さの音をさがして、音名で記録してもかまいません。「なぜ逆になるのか」を、ふるえているもの（コップ・水・空気）に注目して説明できると、すばらしい研究になります。
よくある質問
1つのコップで、ドレミファソラシドを全部出せますか？
たたく音では、たいていむずかしいです。計算では、あついコップで水を入れても半音6〜7こ分くらいしか下がりません。大きさや形のちがうコップを組み合わせると、音の数をふやせます。ペットボトルをふく音なら、水の量で1オクターブ以上変えられます。
同じコップなのに、たたく場所で音が変わるのはなぜですか？
ふちをたたくと、いちばんよくふるえる形（4か所がふくらんだりへこんだりする形）で鳴ります。底の近くや持ち手をたたくと、ふるえ方がちがって、音がにごったり小さくなったりします。
水のかわりにジュースや塩水を入れると、音は変わりますか？
たたく音は、重い液体ほど低くなります。塩水やさとう水は水より少し重いので、同じ量なら少しだけ低くなります。ふく音は、空気の部分の大きさで決まるので、中の液体の種類ではほとんど変わりません。液体の重さのちがいは、虹色の水の層シミュレーターでくらべられます。
ストローでも楽器を作れますか？
作れます。ストローの長さで音の高さが決まり、短いほど高い音になります。ストロー笛シミュレーターで、ドレミを出すストローの長さがわかります。
この実験に使えるもの
広告ボタンを押すと、楽天市場のページが開きます。ここから買い物をすると、おやこ実験ラボに紹介料が入ることがあります（商品の値段は変わりません）。値段や在庫は楽天市場で確かめてください。商品をえらぶときは、対象年齢や注意書きも確かめましょう。
