研究の背景と目的
こんにちは、レンです。サイエンスポットは、最新の科学技術にスポットライトを当てるポッドキャストです。
ホストは、サイエントークのレンです。ということで、皆さんこんにちは。配信頻度が減っております。
なので今、正座をして収録をしているんですけども、あの本当に正座をしています。
嘘ではないです。ちょっと最近バタバタしてまして、滞ってしまいました。
まあちょっとその言い訳は最後にするとして、今回紹介するのは、摩擦に関するちょっと面白い研究をちょっとリクエストいただきましたので、そちらに答えていきたいと思います。
リクエストいただいたのは、ビビさんからで、ビビさんは、サイエンマガジンというサイエントーク関連のいろんな活動を1ヶ月単位でまとめているサイエンマガジンというものを書いていただいたりとか、
いろいろとご協力していただいている方になってまして、その方からちょっとこれ気になるんで紹介してほしいという依頼がありまして、その研究っていうのが、これちょっと想像してみてほしいんですけど、机の上に3つ円柱があって、その円柱をピラミッド状に積みます。
本当に丸い棒を縦じゃなくて横にして、コロコロ転がる状態にして、それを2つ隣り合わせにおいて、その上に1つ円柱を置くっていう感じですね。
で、その状態で上から押してみると、するとどうなりますかっていう研究なんですよね。
これをやっているのは京都大学の鈴木さん、谷さん、笹さん、あと筑波大学の松島さんと東京大学の山口さんを中心とした研究グループによる成果になっております。
幸福力の測定とシミュレーション
今回ちょっと摩擦の話なんで、そもそも摩擦ってどういうものかっていうのを改めて考えてみると、摩擦っていうのは、物が静止した状態から動かそうとする時とかに摩擦力ってかかると思うんですけど、
ああいうものがないと、例えば橋とか建物とか、そういった安定性っていうのは摩擦力をうまく使って安定に存在できているっていうことなんですよね。
で、こういう建造物とかそういったものが摩擦でどれぐらい影響を受けているのかとか、そういうものを定量的に考えたいよっていうのはずっとやっていて、
最近の研究だと摩擦と、あと弾性ですね。弾性はゴムの弾性とか、そういったものが組み合わさると結構面白い車をするっていうのが分かってきております。
最初に言った円柱を3つ、横から見たら三角形みたいな感じで、ピラミッド状に積み重ねた円柱に対して垂直方向、上からゆっくりと圧力をかけた時にどういう動きをするのかっていうことです。
この測定の対象になるっていうのは幸福力っていうらしいんですけど、この圧力がある位置にある値までの強さの圧力に達した時に、床に対して下の2つの円柱が滑って構造全体が崩壊し始める。
その瞬間の限界の力っていうのを幸福力っていうふうに呼んでます。
まずこの円柱っていうのが仮想の理想的な合体、つまり全く形が変化しないような物体だった場合をシミュレーションしてみると、その上からつつ押しますよね。
押したときにあるポイントを超えると、その押していくときにある摩擦係数を超えると、この上からいくら押しても絶対に崩れないみたいなことが起きるらしいんですよね。
この幸福力っていうのが無限大に発散すると、この臨界値っていうのがおよそ0.268とかそれぐらいって書いてるんですけど、
その合体だった場合は摩擦係数がこの値を超えると、いくら力を加えても崩壊しない非破壊的な構造っていうのになるらしいです。
これちょっと想像できますかね。ツルツルのやつだったら全然上から押したらすって崩れるんですけど、摩擦係数が大きすぎるとなかなか崩れないと。
ただ、現実的に物質っていうのは弾性を持っている。ちょっと押すと引っ込むとか、ちょっと元に戻ろうとするとかそういった力がかかるので、そういった力も考慮して再度シミュレーションをしてみました。
で、そうするとさっき合体だった場合は、むちゃくちゃ力を入れた時にこれ以上押せなくなるっていうポイントと、あとはそれより摩擦係数が小さいとめっちゃ強い力をかけると、どっかの点で一気にバーンと構造が崩れるみたいなことがおそらく起きていて、
で、それは弾性があった場合だとしても、さっきの合体の場合に予想していた臨界のこの摩擦係数っていうものの近くで異常に降伏力が増強されるっていう、こういう特殊な振る舞いっていうのが観察されました。
わかりにくいんで、ちょっと簡単に具体的な素材で言ってみると、木でできた積木みたいな円柱と、あとは弾力があるゴム製の円柱っていうのを考えてみると、木みたいな硬いものだと摩擦が少しでも足りないと一気にバーンと崩れる。
で、摩擦が十分に強いと、永遠とその木はいくら押しても潰れない。
一方でゴムでできたものは、上から押すと弾力があるので、わずかに変形して、さっきのバーンと一気に崩れる臨界点に近づいたときは、構造全体がストレスを逃すような形になって、予想外に強く崩れるっていうのに抵抗するってことですね。
これが弾性と摩擦が組み合わさることで、独自にこういうあるポイント近くになってくると、弾性が圧力を逃して予想以上に耐えると、そういった現象になっているみたいです。
これを実際に数式も作っていて、そこの数式はちょっと伝えきれないと思うんで、わざわざここでは言わないんですけど、そういった単純に線形じゃないってことですね。
研究の応用と課題
強さを強くすればバーンとその構造が崩れるポイントっていうのは、摩擦係数が単純な相関関係じゃなくて臨界点みたいなものがあると、そしてそれがすごく弾性があると耐えるっていうのがこの研究から言えるそうです。
なんとなくですけど、これ建物の設計とかにも何か活かせそうだなってすごく思うし、この論文中でも摩擦に依存する複雑な構造物、例えばドーム状の構造とか、そういったものにはこの設計とか解析っていうのが利用されるらしいですね。
だから構造ってたぶんこんな円柱3つで結構複雑な計算になってくるっていうことなんで、もっとでっかい建物だとそれだけ複雑な計算になってシミュレーションも大変になったりしますし、しかも建物ってそんな簡単に崩れるような例えばポイント、ここから押したら一気に崩れちゃいますみたいな感じの建物だったらめちゃくちゃ危なくなっちゃうんで、ちゃんとそのシミュレーションをすることは大事だと。
こういうすごく基礎的な研究でも物にかかる力とか摩擦っていうのは考えないといけないよねっていうのが今回の研究で言えることなのかなというふうに思ってます。
この急激に必要になる力が大きくなるっていうのは摩擦係数っていうのが測定方法によって結構値が変わるらしくて、その検証がまだ簡単にはできてないと。なので今後の課題っていうふうに言われているみたいですね。
なんかすごく単純な実験なのにやっぱりこれでも難しいところがあるんだなっていうの課題が残るんだなっていうのは面白いですよね。これはちょっと論文というかアーカイブで公開されているもので多分佐読とかはこれからなのかなと。
11月10日ぐらいにサブミットされているものなので今後どうなるかわからない。どっかの論文に出るのかな?出るかもしれないですけど、なんかすごい物理って感じで面白い研究でした。
はい、ということで今回紹介するニュースは以上なんですけども、最後ちょっと言い訳タイムと最近のことを話すと、ちょっといろいろ言うとサイエンスボットの頻度を減らしてちょっとやることが立て込んできているっていうのであったんですけど、ちょっと今週もたぶん週1になっちゃいそうです。
で、ポッドキャスト以外でもちょっとやることがいろいろあったりして、わたわたしつつも続けることが大事だろうっていう感じでやってますが、12月はちょっとポッドキャストをいろいろと頑張ってやりたいなというふうに思っています。
はい、ということで今回のニュースは以上になります。ご視聴ありがとうございました。
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