ダイラタンシー
３年Ｂ組

中井美嘉

３年Ｂ組

山本奈都美

指導教諭

藤野智美

１．要約
私たちサイエンス研究会地学班は、液状化現象について調べていたところ、「ダイラタンシー現象」という言葉を知り、興味を持ったので本やインターネットを利用して調べてみた。また、実際にダイラタンシー現象を体感するための実験を行った。
キーワード

ダイラタンシー、レオロジー、ダイラタント流体

２．研究の背景と目的発見したことから、「レイノルズ現象」

地盤の液状化とは、埋め立て地などのと言われることもある。

水を含んだ砂の地盤で起こりやすい現

また、この現象が起きる流体を「ダイ象である。このような土地では砂粒どラタント流体」という。ダイラタント流

うしの隙間に水が多く含まれている。

体は非ニュートン流体である。

地震等の振動によって砂地の地盤がゆ

ダイラタンシー現象は、片栗粉と水をるみ、並んでいた砂粒がばらばらの状混ぜたものや、海岸などでよくみられ態で水に浮いて液体のようにふるまう。

る。能登半島の千里浜はこれであるた

これにより建物は地面に沈み、反対にめ、砂浜に自動車を走らせてもタイヤ地下にあったマンホールや地下鉄の駅が沈まずに、ちゃんと走れるのであが地上にでてくる等の災害が起こる。

る。

この液状化現象を調べていたところ、バラエティ番組で取り上げられるほど、ダイラタンシーという言葉を知った。

身近で親しみやすい現象だといえる。

調べてみると、この現象はレオロジーという分野に関係することがわかり、※物質の変形や流動に関する学問のこ液状化現象との関わりが気になったのとを総じてレオロジーという。レオで、調べてみた。

ロジーは流体の粘性などを対象にしダイラタンシー現象とは、「普段は液た学問分野で、その代表がニュート体の性質を示すが、力を加えると一時ン流体と非ニュートン流体である。

的に固体の性質を示す」現象のことであ流体とは自由に変形できる気体や液る。力を加えることを止めると、また体のことで、その粘性というのは要液体の性質を示す。

するに流体の流れる上での摩擦抵抗

物理学者のオズボーン・レイノルズが（これはむしろ地学よりも物理に近いと言える）である。簡単に説明すする。

ると、ニュートン流体というのは、■作り方加える力と物質の変形（流動）が比①容器に片栗粉をいれる。

例関係にある流体のことで、水や潤②片栗粉を入れた容器に水を加え、か滑油など身近にもよく存在する。対きまぜる。

して、非ニュートン流体は複雑な成③ダイラタンシーのできあがり。

分の流体で成り立つ現象であり、加握っている間はかたく、手を離すとドえる力によって粘度（流れる速さ、ロドロに溶けてしまう。

物体の固さ）が変わる。ダイラタン※もし出来上がったものが粉っぽかっ

シーは、この非ニュートン流体の性たり水っぽかったりした場合、必要質をもつ物体である。に応じて水か片栗粉を加える。
手順の②でいきなり全ての水を入れ今回は、液状化現象ではなくダイラタンずに、少しずつ加えて様子を見ていけ

シー現象自体に焦点を当てて研究を行い、ば、水の入れ過ぎを防げるので、片栗ダイラタンシー現象を体感して、この現粉の量に限りがあっても失敗すること

象はどうして起こるのか、原因は何なのなく作れて安全である。図１に作成時かを理解した。の写真を掲載する。

３．研究内容（２）仮説（１）ダイラタント流体の作り方

片栗粉を水に混ぜるとダイラタンシー

ダイラタンシー現象は、料理をする人現象特有のふるまいをした。調べた結ならだれでも見たことのある身近な現象

果、ダイラタンシー現象は片栗粉の粒である。水溶き片栗粉を作る際に、この子が最密充填に水中で並ぶために起き現象は多くみられる。ているということがわかった。

つまり、ダイラタント流体を作るには、そこで、私たちは他の粒子でもダイ片栗粉と水を混ぜるだけでよい。この二ラタンシー現象は起きるのではないかつの割合は、情報源によってまちまちでと推測した。

あり、粉質によって必要な水の分量は変わってくる。

※最密充填とは、粒子間の隙間が最小になる粒子の並び方のことである。

■用意するもの

粒子は互いに結合されておらず、ま○容器（ボウルのようなもの。この中にた、変形できない。この並び方をしたダイラタント流体を作る）粒子は、縦からの圧力に弱い。リン

○片栗粉 200cc（適宜）ゴなどをピラミッド状に積み上げた○水

ものが最密充填構造に近い積上げ方

100cc（適宜）

片栗粉と水の比率はおおよそ２：１とと言える。

図２

最密充填構造３）研究方法きな粉、砂糖、食塩、小麦粉、白玉粉、片栗粉、コーンスターチをそれぞれ水に混ぜて触り、様子を見る。
（４）研究結果
片栗粉とコーンスターチでダイタランシー現象が見られたのに対し、他のきな粉、砂糖、食塩、小麦粉、白玉粉では見ることができなかった。
片栗粉とコーンスターチの水溶液はダイラタント流体である。
また、加える水の量によって結果は大きく変わった。水と混ぜることによってダイラタンシー現象を起こす片栗粉も、水分が少なすぎると粉っぽくなり、流体にはならないのである。とはいえ、水を多く加えると上手くいくというわ
けではなく、ダイラタンシー現象を起こすためには適宜の水分量が必要であることがわかった。私達は、これをおおよそ水：片栗粉が３：２の割合であると考えた（ある程度比率が異なっても問題にはならない）。

４．考察
実験結果から、片栗粉とコーンスター
図１

ダイラタンシー作成の様子

チ以外にはダイラタンシー現象の起こ

る食品は身近に存在しないことがわかンである。しかし、こちらは粘り気のあった。

るタンパク質も含んでいるため、水を最初私達は、これは粒の大きさが原因加えると粘りが出てしまい、ダイラタだと考えていた。しかし、海辺の砂でンシー現象は起きないのである。

も同様の現象が起こることから、粒の最密充填という粒子の構造自体、水にサイズが直接的には現象の発生の有無溶けない微粒子によってできるものなと関係しないと考え、ダイラタンシーので、水に溶けてしまう食塩や小麦粉が起こるか否かは粒子の粒の大きさのでこの現象が起きないことは当然とも均一性と、粒子の並び方によって決まる言えるだろう。という結論に達した。

粉に加える水分量については、多すぎても少なすぎてもダイラタンシー現象＜片栗粉で成功した要因＞は起こらないということがわかった。

先ほどの考察をもとに、片栗粉の粉について考えてみる。片栗粉は植物のデ＜ダイラタンシー現象の仕組み＞ンプンを精製した調理用の粉である。

実験結果を受けて、ダイラタンシー現デンプンの粉は水に溶けない小さな粒

象の起こる仕組みを簡単に述べてみでできていて、その大きさが比較的均る。

一である。この性質から、先ほど述べダイラタント流体に力を加える（外側た最密充填構造をとると考えられる。

から圧力をかける）と最密充填の粒子と最密充填構造でできる粒子間の隙間に粒子の間の隙間がなくなって、水分は水が入り込む。力を入れるとすき間が内側に閉じ込められる。それによって広がり、水が吸い込まれることで表面物質の表面は固まり、外見は固体のよは乾いた状態になる。これによって固うになる。ダイラタント流体は固体に体の状態になる。力を緩めると隙間がなるのではなく、一時的に固体の性質狭まって、水が表面に流れ出る。これを持つのである。元々あった水分は、によって液体の状態になる。このよう無くなったわけではないので、力を緩な性質は片栗粉の大きさとその均一性めるとまたすぐに滲み出てきて、物体によって引き起こされたと考える。

は流体の性質に戻る。
このとき、水分が少なすぎると、粒子＜その他の実験結果について＞は自由動き回ることはできないので、今回の実験結果から、片栗粉とコーン当然この現象は起きない。では、水がスターチの粒子の並び方は最密充填の多すぎる場合はどうだろう。粒子に対性質を持っているが、他の食品はそうする水の量が多くなってしまうと、粒ではないということがわかる。

子間の隙間が最も狭い最密充填にはな

小麦粉は見た目が片栗粉と似ており、らないので、ダイラタンシー現象は起

原料のほとんどは片栗粉と同じデンプきない。力を加えても（圧力をかけても）水が物体の内側に閉じ込められるこひび割れる。これが一般にいうダイラとはなく、粒子の隙間から滲み出てしタンシーであり、今回実験を行った現まう。

象でもある。

ダイラタンシー現象は海岸や片栗粉のほか、水田などの泥沼でもみられる。

５．今後の課題

圧力をかけると固くなるため、上を走今回わかったことは、ダイラタンシーることはできるが歩けない。力を入れという現象があり、またダイラタンシた瞬間は非常に硬くなるため、実際にー現象は片栗粉やコーンスターチ、あダイラタンシーの水田に飛び込んで、るいは海浜の砂といった限られた物質怪我をしたという事例もある。

（即ち粒子の粒の大きさが均一に細かく、その粒の詰まり方が最密充填であ＜ダイラタンシーと液状化現象＞るもの）でしか起こらないことだ。

ダイラタンシーと液状化現象の関係性

ダイラタンシー（Dilatancy)とは、英については、今回調べた「ダイラタンシ語で「膨らむ」という意味である。ダイー」と、「液状化現象としてのダイラタラタンシー現象は水に溶けない微粒子ンシー」はどちらも同じ現象だが、そのが一定の割合で最密充填に水と混ざっ起こる仕組みに違いがあるのではないた流体に起きる。また、この水が多すかと考えた。

ぎても少なすぎてもこの現象は起きな調べてみたところ、物体の中の面に対い。

して平行方向に働く力を作用させるこ

ダイラタンシーと真逆の現象に、「チとにより、体積変化が生じる現象が「ダキソトロピー」というものがある。これイラタンシー」であるといえる。

はケチャップや底なし沼、ボールペン、体積が収縮する場合は、変形によってペンキなどで起こる、ダイラタンシー

粒子が下方の隙間に充填する。粒子の以上に身近な現象だ。

混ざっている物質が水の場合は粘性がチキソトロピーとは、最初は固体だけ大きいので、粒子が他の粒子間の隙間れど、掻き混ぜるなどして力を加えるの通過に時間がかかり、動きは複雑にと一時的に液体の性質をもつようにななる。すると、下へ沈む速度が遅くなり、加えるのをやめるとまた固体に戻るため、一度水に浮いたような状態にる現象のことである。力を加えた時間、なる。このとき粒子同士の接触が無く強さによって流動の様子が変わる。

なり、液体のように柔らかくなる。こチキソトロピーは特にレオロジーの代れが液状化現象である。

表的な対象である。これも非ニュート

一方、膨張する場合は、粒子間の隙間ン流体の一種だ。

が拡大していく。粒子間の物質が水だ

液状化現象について調べるのと同時に、とすると、隙間が膨張しようとするた流体の特性を知るために、こちらにつめにそこに水が入らないので、表面がいても考えていきたい。

６．参考文献[1]「米村でんじろうのサイエンスプロダ
クション」

http://www.denjiro.co.jp/[2]国土交通省 北陸地方整備局「液状化現象とは？」
http://www.hrr.mlit.go.jp/[3]中日新聞http://www.chunichi.co.jp/[4]「化学の質問ありまへんか。」
http://www.chemistryquestion.jp/index.htm

７．謝辞
多忙にも関わらず貴重な時間を割いて私たちのために力添えをして下さった
藤野先生、誠にありがとうございました。