研究の動機

　2017年7月、河口湖が渇水のために「底なし沼化」し、大人がはまって抜け出せなくなったというニュースを見た。 地質学的には「底」があるのに、昔から「底なし沼」が存在していることに興味をもった。

研究の方向と定義

　研究の方向を決めるため、「底なし沼」についての疑問
(1)そもそも「底なし沼」とは何か?
(2)どうやってできるのか?
(3)なぜ「底なし沼」から抜け出せないのか?
(4)脱出法はあるのか?
を挙げた。さらに疑問(1)から、「底なし沼」を定義した。
定義1:濁って底が見えない
定義2:どろっとして、流れがない。
定義3:密度が沼よりも小さい物体は沈まないが、その物体が動くと沈んでいく。――この3つがそろったものを「底なし沼」とする。

《予備実験》疑問(2)の「底なし沼」のでき方について、2つの仮説を立てて「底なし沼」をつくり、定義に合うか調べる。

〈仮説1〉

　窪地などに降った雨水が表面の土と混ざり合うことで、どろどろのぬかるみになり「底なし沼」ができる。

〈仮説2〉

　湖などに土が運搬され、それが堆積して「底なし沼」ができる。

検証①

　メスシリンダー(500ml)に土300mlを入れ、500mlの目盛りまで水を注ぐ。土はマウンド、グラウンド、田んぼ、山の4種類。2日間静置後の土の状態で、定義1~3と比べる。

検証②

　検証①のメスシリンダーの口をふさぎ、何度も上下をひっくり返して、土と水をよく混ぜる。2日間静置し、堆積した土の状態を定義1~3と比べる。

◇「底なし沼」の定義に合致する場合

・定義1→メスシリンダーを横から見て、水と土面(沼面)とに明確な境がある。真上から見て、底下に置いた文字Aが見えない。
・定義2→メスシリンダーを左右に激しく揺らすと、土面(沼面)が波立つ。 傾けても、土面は傾かない。
・定義3→振動していない「振動歯ブラシ」を土面(沼面)に立てても沈んでいかないが、振動していると沈み込む。

〈結果〉

　◇定義1の確認:検証①②ともに、水を注ぐと土と の間に明確な境はできたが、土は沼化しなかった。

◇定義2の確認:上部の余分な水を抜いて行った。「地震液状化 現象実験装置」（以下、装置）による横揺れに対しても波立たなかった。

◇定義3の確認:「振動歯ブラシ」の沈みは、 検証2の田んぼの土が最も大きかった。歯ブラシを静置した沈みは6.0cm、振動後の沈みは10.0cm、振動によって4.0cm沈み込んだ。歯ブラシを静置した時の沈みは、堆積した第1層の厚さ(5.7cm)にほぼ一致した。田んぼの土の第1層の土の粒はかなり小さいと考えられる。

《モデル実験》土の粒の大きさの違いによって、振動後の様子はどう変わるか。

〈方法〉

　ビーカーに手芸用ペレット、BB弾、発泡スチロー ルの3種類の粒を入れて、装置で1分間振動させる。粒と粒の間隔、振動中の動きを観察する。

〈結果〉

　1 種類の粒だけを入れた場合、振動後は粒が整列し、余計な隙間がなくなった。3種類の粒を混ぜ入れて振動させると、大きな粒同士の隙間に小さな粒が入り込んだ。色の異なるBB弾を層状に入れた場合、振動中も層は崩れなかった。3種類を粒の大きい順に下から層状に重ねて振動させても、層は崩れなかった。

〈考察〉

　振動が加わると、土の粒はより安定する位置へと移動する。粒の大きさが均一の場合、粒は整列して安定し、 隙間がなくなり、動かなくなる。その結果として、振動後の短時間に土は硬くなり、物体もなかなか沈み込まない。 予備実験では沈んだ振動歯ブラシを抜くのに、田んぼの土による沼では最大1.12Nの力、グラウンドの土では15~39Nの力が必要だった。田んぼの土の沼を「ゆるい『底なし沼』」、グラウンドの土の沼を「きつい『底なし沼』」とする。

追究1:なぜ「底なし沼」から抜け出せないのか~疑問(3)の解明

《検証1》「底なし沼」に沈み込むのはなぜか。水がある時、ない時の土の粒の動きを、モデル実験で調べる。

〈方法〉

直径6mmのオレンジ色、黒色のBB弾、砕いた緑色のBB弾を混ぜたものをビーカーに入れる。リモコンで振動するよう改造した怪獣の「ソフビ人形」を載せて、沈み込みや粒の動きを調べる。ビーカーに水を粒が浸るまで入れた場合、装置で振動させた場合とで比較する。

〈結果〉

　ソフビ人形を振動させた1分後には、水なしではくるぶし程度まで沈み、水ありではひざ上まで沈んだ。1個の黒色BB弾に注目すると、水なしでは1分後の位置はほぼ変わっていないが、水ありでは1分間沈み続けていた。人形の足付近のBB弾は、水なしでは最初にずれて人形が沈んだが、その後はBB弾の動きはなかった。水ありでは、常にBB弾が動いていた。装置による振動では、水なしのBB弾はうねりながら全体が激しく動いた。水ありは水面(沼面)が波立ち、表層の粒が上下に動いた程度だ。砕いたBB弾は、水なしでは全体がうねる中で混ざり合い、下に落ちていった。水ありでは波の動きに合わせて動いたり、他の粒の振動に合わせて動いたりして、なかなか沈むことはなかった。

〈考察〉

　水のある方が粒の動きが自由だ。「底なし沼」でも、人が動くことで、人を支えている土が動き、沈み込むのではないか。極めて小さな土の粒は振動で巻き上がるが、水の抵抗で下に落ちないために、振動源付近の粒の移動が遅く、崩れやすくなるのかもしれない。水のある方の粒の動きが自由になる理由としては、粒の間に水が入り、 粒同士の摩擦が小さくなること、振動が水によって広範囲に伝わることが考えられる。

《検証2》なぜ「底なし沼」から抜け出せないのか。

〈方法〉

　モデル実験で、振動する人形をひざ辺りまで沈めた後に抜いてみる。

〈結果〉

　水なしでは、引き抜いた人形の足に何も付いていなかった。水ありでは、濡れた粒が足にくっついてき た。粒が足に絡みつく様子を観察すると、人形の振動で足付近の水や粒も振動を始め、細かな粒は下に沈んだり、足の甲に舞い上がったりした。細かな粒が舞い上がると、人形がバランスを崩して、足はどんどん沈み込んだ。足の下の粒も甲に舞い上がった。

〈考察〉

　水の流れが舞い上がって足に当たると、足の甲に巻き込むような流れができ、それに沿って粒が甲に積もる。その巻き込む流れを「カルマン渦」という。水の入ったメスシリ ンダーに振動歯ブラシを入れ、インクを垂らして広がり方を調べると、インクは振動源に接する部分から渦を巻き、振動源に絡みつくように広がった。「底なし沼」の場合も同様に、人の足が沈みながら、渦によって足に土が積もる。もがく動作が激しいほど、水の流れも大きくなって、大粒の土が巻き上がる。「ゆるい『底なし沼』」では、もがくことで極めて小さな粒が自由に動き、足場が大きく崩れることにより、さらに沈む。「きつい『底なし沼』」では、体の凹凸に積もった土のために身動きが取れず、他力によって引っ張られても、土の水が抜けてさらに固まり、抜けなくなってしまうと考えられる。

追究2:「底なし沼」からの脱出法はあるのか～疑問(4)の解明

　ある漫画の技で沼面を強くたたいて流砂を抜け出る場面があった。それをヒントに、おもちゃのカエル(ポンプで空気を送ると足が伸びて跳ねる)を使って脱出方法を考える。

〈方法〉

　ビーカーに田んぼの土(粒2mm以下)で「ゆるい『底なし沼』」、グラウンドの土で 「きつい『底なし沼』」を作り、漫画の人物のように、ストローで足を長くしたカエルの足を沼に沈めて、飛び跳ねる様子を観察する。

〈結果〉

　「ゆるい『底なし沼』」では、5回目で足が抜け出せたが、手は沼に沈んでいた。「きつい『底なし沼』」では、1回目から体全体が抜け出せた。

〈考察〉

　抜け出せたのは「ダイラタンシー」(片栗粉を水と混ぜたものは液状だが、急に圧力を加えると固体状にな る現象)を利用したからだ。「底なし沼」の液状の粒に急に力が加わって沼が固体化し、抜け出せたのではないか。

まとめ

「底なし沼」には、土の粒の大きさや水の存在が関係している。沼の中で動くことで、沈み込むとともに抜け出すことが難しくなるのが「底なし沼」と呼ばれる由来だ。ダイラタンシー現象の利用で、抜け出すことが可能かもしれない。