張力,線密度
の弦を伝わる横波の速度
は,
で与えられる。
これを導くには,弦の微小部分に対するニュートンの運動方程式から波動方程式を導き,波動方程式の係数から速度を求めるのが一般的な方法である。
しかし,ここではより簡単に横波の速度を求める方法を紹介しておく。
弦(ひも,ロープ,ばね)の横波が,下図のように右方向に進んでいるとする。このとき,変位の形は変化せずにそのまま右方向に速さ で進んでいく。(変位は周期的なものでなくてもよい。)
これを,波と同じ速さ で進む観測者から見ると,変位の形状は不動になるが,弦自身が左向きに動いていく。
これは,丁度,曲がったガラス管の中に紐を通して,その紐を引いたような感じになる。
※弦の変位が小さいという近似では,弦の各点の速さもであると考えてよい。
ガラス管が無くても,このような運動ができるための条件は以下のようになる。
弦のごく小さな部分を取り出して考えると,半径 の円弧と考えることができる。この
をその位置の曲率半径という。
すると,この部分は半径,速さ
の円運動をすることになるので,この部分の質量を
とすると,必要な向心力は,
である。
この向心力は,小さな円弧の両端に加わる張力 の合成により与えられなければいけない。円弧の中心角を
とすると,この合力は,
となる。
弦の線密度(単位長さ当たりの質量)を とすると,微小な弦の質量は
となる。したがって,
でなくてはならず,これより波の速さ は,
であることがわかる。