研究の動機

　東日本大震災では、多くの建物が津波で流された。丈夫な堤防が作れないかと思い、研究に取り組むことにした。

研究を始める前に

　部員たちが計30個の石を集めてきた。10個を適当に積んで、ミニカーをぶつけてみた。しかし、当たる場所が毎回変わり、石の崩れ方も変わった。いつも石積みの同じ場所に当たって、衝撃を加えることのできる装置（衝撃装置）を作った。

研究の目的

　衝撃に強い石の積み方を見つけ、津波に強い石積みを作る。

追究１：どんな石がずれにくいのか

【実験】１つの石におもりを衝突させる

　部員３人の各10個の石に１〜10の番号をつけ、それぞれに重りを衝突させて、石のずれる距離を調べた。各10回行い、平均距離を求めた。

《結果と考察》

「ずれやすい石」と言っても軽いわけではなく、石のずれと重さは関係のないことが分かった。「ずれにくい石」は表面と底がごつごつしている。「ずれやすい石」の底はつるつるしている。

追究２：石の積み方で崩れ方がどう変わるのか

【実験１】積み方を変えて調べる

《方法》

中心となる石に４個、６個、８個の石が接するようにそれぞれ石を積んだ。中心の石におもりを50回ずつ衝突させて、それぞれの石積みが崩れるまでの平均衝突回数を求めた。

《結果と考察》

４接点での平均回数は1.66回、６接点は2.53回、８接点は1.52回だった。やはり６接点の積み方は崩れにくい。しかし４接点の方が、石があまり落ちないような気がする。

【実験２】どの石が崩れるのか調べる

《結果と考察》

４接点：４、６、９番の石がよく崩れた。４番はおもりを衝突させた石で、４番の上に積まれた石がないので崩れやすいのだ。６番は４番に接しているので、４番がずれる時に一緒に引っ張られたのだ。６接点：４番の石と周りの２、３、５、７、９番が崩れた。やはり４番がずれる時に一緒に引っ張られたのだ。８接点：他の積み方に比べ、全体的にどの石も崩れた。これは積み方が不安定であることからも予想された。
　６接点の積み方では、周りの石が、どの石と限らず、バランスよく崩れている。特に崩れやすい部分（弱点）がないので、６接点は丈夫だと言える。崩れる時に、下に落ちるだけの石と遠くまで飛んで落ちる石があることに気づいた。

【実験３】石の崩れ具合を調べる

　実験１と同じ方法で４接点、６接点、８接点の積み方での石の動く距離を調べた。

《結果と考察》

50回ずつの平均距離は４接点が4.27cm、６接点が5.99cm、８接点が3.44cmだった。８接点では石の動きが少なく、６接点が最も石が動いた。しかしビデオ映像では、８接点の場合、衝突させた石が動くと同時に上の石が落ち、それ以上動かない。８接点では1つの石に８個の小さな石が積まれているので、石が下に落ちやすいのだ。上に積む石を重くすれば、落ちにくくなるのではないか。

【実験４】上に積む石の重さを変えて調べる

　４、６、８接点のこれまでの積み方を基準として、中心の石にかかる重さが軽くなったり、重くなったりするように、10個の石を積み替えておもりを衝突させた。それぞれ50回行い、崩れるまでの衝突回数と石がずれた距離の平均を求めた。

《結果と考察》

乗せる石が重すぎても軽すぎても、石がたくさん動いた。しかし、上に積んだ石が、前に落ちる場合と後ろに落ちる場合がある。

追究３：上に積んだ石の落ち方はどうなっているのか

【実験】石の動きを調べる

　これまでの４、６、８接点での実験と同じ方法で、おもりをそれぞれ50回衝突させた。

《結果と考察》

上の石が下の石と一緒に動いて、後ろに落ちるパターンが75％、おもりが当たった石だけ抜けるパターンが25％だった。上下の石が一緒に動いて崩れるのなら、上下の石の向きを変えれば、落ちなくなるのではないか。

追究４：石を置く向きで崩れ方がどう変わるのか

【実験】いろいろな向きの組み合わせで調べる

　上下２つの石の向きは、おもりを衝突させる方向と同じ向きが「縦」、直角の向きを「横」とし、上下の石がともに縦の場合（縦・縦）、上が縦・下が横の場合（縦・横）、上が横・下が縦の場合（横・縦）、上下とも横の場合（横・横）の４パターンで、下の石におもりを衝突させて、崩れるまでの衝突回数（50回平均）を調べた。

《結果と考察》

（縦・縦）は1.48回、（縦・横）は1.4回、（横・縦）は1.74回、（横・横）は1.59回だった。（横・縦）の向きに積むと崩れにくい。上の石がずれなければ、もっと丈夫になるのではないか。

追究５：上下の石の間をなくすと丈夫になるのか

【実験１】石積みに砂を詰めて調べる

　中心石が縦向き・上の石が横向きの６接点による積み方で、おもりが当たる面とは反対側の石のすき間に、少し水で湿らせた運動場の砂を詰めて、崩れるまでの衝突回数を調べると、予想通り丈夫になった。

【実験２】砂の粒の大きさを変えて調べる。

　砂をふるいにかけて極小・小・中・大の大きさに分け、石の間に詰めた。

《結果と考察》

「極小」が1.525回、「小」が1.544回、「中」が1.28回、「大」が1.22回で、砂粒の「小」が最も丈夫だった。砂粒は小さめの方が強くなる。

【実験３】水の量を変えて調べる

　砂100cm³に混ぜる水の量を20、30、50mlと変えた。崩れるまでの平均回数はそれぞれ1.36回、1.43回、1.37回。30mlの場合がわずかに丈夫になったが、あまり違いはない。水50mlの砂は詰めると流れ、水20mlの砂はすぐサラサラに乾燥して詰めにくい。

追究６：「最強の石積み」になっているのか

【実験１】ミニカーに対して最強か調べる

　６接点の石積みで全ての石の間に砂を詰め、ミニカーを50回衝突させた。崩れるまでの平均回数は5.18回。ずっと崩れにくくなった。

【実験２】津波に対しても最強か調べる

　水槽を利用し、中の仕切りを外すことで水が津波のように石積みに押し寄せる装置を作った。水量（水の高さ）によって、崩れずに耐えた回数（50回平均）から成功率を求めた。

《結果と考察》

石積みの高さ4.5cmに対し、水の高さが7.5cmの時に約60％が成功した。この石積みの1.67倍の高さの津波なら約60％耐えられる。「高さ約10mの津波なら、約６ｍの高さの石積みを６接点で、石が縦横交互になるように積み、水が来る反対側から石と石の間に小粒の砂を詰めれば、約60％は耐えられる」ということだ。
　この実験のビデオ映像では、水の量が多くなるほど、石積み全体が後ろに押されて下がったり、まくり上げられた水流で石が浮いたりして、崩れやすくなっていた。この点を改良すれば、さらに丈夫な石積みが作れるだろう。

最後に

　自然の石や砂だけでも丈夫な堤防が作れることが分かった。さらに「最強の石積み」を追究することで、どんな津波にも耐えられる堤防を作り、より多くの人々の命が救われるようにしたい。