自然科学のとびら 第 23 巻 1 号 2017 年 3 月 15 日発行
いしはま

砂の性質を使ったおもちゃ

さえこ

石浜 佐栄子 （学芸員）

突然ですが、 砂は気体でしょうか、 液の砂粒が転がり落ちていく斜面、 砂粒が体でしょうか、 それとも固体でしょうか？

山をつくる斜面の角度 （勾 配） は、 常

次は、大きさの違う二種類の砂を混ぜて、答えはもちろん、固体ですよね。でも砂は、分かれるこうばいに一定です。 実際には粒の形や大きさ、山をつくってみましょう。 ある一点から、 混単体だと 「ただの固体の粒」 なのに、 集粒の大きさの混ざり具合などによって多少ぜた砂を落としてみると…斜面を転がり落まって団体戦になると動いたり姿を変えた変わるのですが、 おおまかには 30 度くちているうちに二種類の砂が分かれていきり、 さまざまな面白い性質を発揮しはじめらいで、 公園の砂場で作る砂山でも、 ダます。 転がる間に、 なぜか大きな粒が浮ます。 神奈川県立生命の星 ・ 地球博物

ンプカーの荷台から流れ出す大量の土き上がってきて先端 （山のふもと） へと集館では砂を集めていますが、 「砂を持っ砂が作る山でも、だいたい同じ角度です。

まり、縞模様をつくってしまうのです （図 3）。て来てください」 というと 「一粒ですか？

この山の斜面と水平面がなす角度のこと

それとも二粒？」 という方はいなくて、 「何を、 安息角 （摩擦角） と呼びます。

つぶ

あんそくかくまさつかく

この現象は 「ブラジルナッツ効果」 を考えると、 理解しやすいです。 色々なナッツが混ざったミックスナッツを振ると、 大きなグラムですか？」 「ペットボトルに半分くら

こ の 砂 山 の 性 質 を も と に、 以 前い？」 などと言われるのは、 やはり 「砂」「玉砂舞楼」 というおもちゃを考案し、 紹ブラジルナッツばかりが表面に浮き上がっ＝ある程度の量が集まった集合体だと認介しました（自然科学のとびら第15 巻 2 号,てきて分離してしまう （図 4） ことから、 こ識している方が多いのだろうと思います。

p.10-11） （図 1）。 穴を開けた紙に砂をかのような名前が付けられています。 皆さん

粒の集合体としての 「砂」 の性質を利けて浮き上がる模様を楽しむおもちゃで、も、 ゴマと塩を容器の中に入れておいたら用すると、 色々な面白いおもちゃを作るこ

トイカプセルに閉じ込めることで何度も繰ゴマばかりが上の方に集まっていたとか、ともできます。 例えば、 砂時計。 常温常り返し遊べるようにしました。 今回は、 部

ふりかけの中で大きな粒ばかりが表面に圧で固体のままなのに、 少しずつ流れて屋がたくさん分かれた透明な小物ケース集まってしまった （図 5） とか、 日常生活時を教えてくれます。今回は、砂の性質と、に砂を入れて封じ込め、 砂の山がつくるの中でこの効果を体験しているのではな

それを生かして考えたいくつかのおもちゃ角度が一定であることを直感的に理解しいでしょうか。 色々な粒が集まると、 自分について紹介します。てもらうおもちゃを考えました （図 2）。 同たちで勝手に分かれてしまうことがあるのた ま さ ぶ ろ う

じ砂であれば、 何回傾けても、 どのようです。 混ぜたいのに分離してしまう、 とい斜面をつくるな向きに傾けても、 必ず全ての部屋の砂

うのは困りもので、 特に工業製品の製作

子どもの頃、 砂場や海岸などで砂山をの傾きが同じ （安息角） になります。 中

過程などでは大きな問題になるようです。

作ったことがあるという方は多いと思いま

身の砂を変えると、 砂ごとに少し角度のこの原理を使ったおもちゃを、 地学ボランす。いったん水を加えて砂の塊にすれば、差があらわれます。 名前は、 安息角をもティア金曜日グループの皆様の協力を得てそれを削って自在な形を作ることもできまじって 「あんそくん」。 自由自在に動いて製作しました。 カードケースの中に大きさがすが、 乾燥した砂を使うと、 いくら積み上いるように見える砂も、 実は決められた違う二種類の砂を入れ、 テープで封をしたげても必ず斜めに転がり落ちてきます。 こ法則に支配されていることが分かります。

ものです （図 6）。 手でカードケースを持って

図 2 安息角が一定であることを示すおもちゃ 「あんそくん」．

図 1 上 ： トイカプセルに砂を閉じ込めた玉砂舞楼． 下： ガラス板のついた標本箱に砂を閉じ込めた箱砂舞楼． 安息角を生かした砂の模様が形成される様子を繰り返し楽しむことができる．

図 3 より粗い赤い砂が， 斜面先端 （山のふもと） へと集まって縞模様をつくる． 装
置製作：松井理作氏 （地学ボランティア）．

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図 4 ブラジルナッツ効果． 上 ： 振る前の様子．下：振った後の様子．青い点線で囲った大きなナッツが， ブラジルナッツ．

自然科学のとびら 第 23 巻 1 号 2017 年 3 月 15 日発行

傾け、 砂の動きが止まったら （安息角の斜て動きにくくなってしまうということもありませていたマンホールのような軽いものは浮面ができたら） また少し傾け…とゆっくり動かん。 水の中でも、空気中でも、流れによっき上がり、 地面は沈下して、 電柱や建物していくと、 大きな粒が斜面のより先へと転て簡単に運ばれます。 海岸などで砂が風が傾いたりします。 このような現象も、 砂がり、 縞模様ができていきます。 砂が流れで運ばれ、 表面にできた波のような模様の動きやすい性質によるものです。て模様ができるという意味で 「流れる砂絵（風紋） が動いていく様子 （図 9 上）、 あふうもん

さ る え も ん

砂流絵紋」 という名前を付け、 博物館のるいは浅瀬の波に揺られて水面下の砂が大人になるとあまり注目もしなくなってしイベント （2017 年 1 月15日よろずスタジオ）

左右に動いている様子 （図 9 下）、 見た

まうけれど、 実は結構面白い、 砂粒の世で子どもたちにも作って遊んでもらいました。

ことありませんか？ 水でも空気でも、 砂は界。 たまには童心にかえって、 砂のおもちゃで遊んでみませんか。

ちなみに、 いろいろな大きさの粒を混ぜ流れ （流体） に運ばれると、 表面の形状て水の中に落としてみると、 大きな粒から（ベッドフォーム） を変えるのです。

先に沈みます （図 7）。 砂流絵紋の場合動くのは、 表面だけではありません。 砂は、 大きな粒が表面に集まってくるので、は地震などで大きく揺すられると、 その内大きな粒が小さな粒よりも上に来ることにな部でも動くことがあります。 揺れたらそのまります。 沈んでできた （沈降による） 砂のま順序良く隙間を詰めていけばいいじゃ

集合体の中では大きなものが下に、転がっないかなどと思ってしまいますが、 そう単

笠間友博・石浜佐栄子・新井田秀一 （2015）
地学教育 , 67: 157-170．
Makse, H. A., S. Havlin, P. R. King, & H. E.
Stanley, （1997） Nature, 386: 379-382．

りゅうしりゅうてできた （粒子流による） 砂の集合体の純にはいきません。 水を含んでゆるく詰中では大きなものが上にきてしまうのです。

まった砂の層の場合、 揺すられると砂同実際に砂がたまってできた地層の中でも、士のかみ合わせが外れて水に浮いたよう大きなものが下にくる級化層理 （図 8） と、な状態になり、 全体がまるで液体のように大きなものが上にくる逆級化層理という二振る舞い始めます。 液状化現象です。

種類の構造が存在します。 大きさごとに分砂とガラスビースをペットボトルに入れかれる、 という砂の性質は同じでも、 分て、 液状化の実験装置を作ってみました

かれ方は条件によってさまざまなようです。

（笠間 ・ 石浜 ・ 新井田 , 2015） （図 10）。

実は砂流絵紋でも、 大きな粒の安息角水を入れたペットボトルを机の上に静かにと小さな粒の安息角の大小関係によって、置くと、 粒の大きい砂が先に沈み、 砂と縞模様にならずに分離してしまう場合もあ

ガラスビーズの二層に分かれた地層がでることが、 数値計算や実験で確かめられきます。 ペットボトルに震動を与えてみるています （Makse et al. , 1997）。と、 下にあった砂が水を連れて表面に噴ふ ん さき出す様子 （噴砂現象） が観察できま動くす。 地層中に隠れていたマップピンは浮砂は、 とても動きやすい物質です。 石

き上がり、 小さなガラス瓶は傾いて沈みまころよりも小さくて軽く、 泥のように固まっす。 実際の液状化現象では、 埋められ

図 5 大きな乾燥エビが表面に集まってしまったふりかけ （ふりかけ提供 ： 新井田
学芸員）．

図 6 「流れる砂絵 砂流絵紋」． 安息角の斜面をつくりながらゆっくり傾け続けると ,縞模様ができる．

図 9 上 ： 風の流れでできた風紋 （鎌倉市稲村ヶ崎）． 下：水の流れ （波） でできたリップルマーク （鎌倉市材木座）．

図 7 実験で作った級化層理． 水の中では粗い粒から順に沈む． 直径 8 cm のアクリ
ルチューブで実験 .

図 8 地層中に見られる級化層理 （三浦層群三崎層， 横須賀市長井）．

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図 10 液状化実験装置．上：実験前，下：実験後． 青い砂が上へ噴き出し， マップピンは浮き上がり， 小さなガラス瓶は倒れる．