荒川の水切り遊び - トピック返信
28. 水切りの科学
【返信元】 27. 水切り遊びについて
2014年08月22日 06:15
 前にも書きましたが、水面を跳ねる石は、そのスピードに関係なく、水平から20度の角度で投げ込むと最も跳ねやすい。こんな研究成果を、仏リヨン大学の研究者チームらが、英科学誌ネイチャーに発表したそうです。
 しかし、日本の東京工業大学ではそれより以前から発表していて、20度とは言っていません。おそらくマスコミの勘違いで20度が最も多くジャンプする角度だということになってしまったものと思われます。むしろ、投げられた石には、自動的に最適な角度になろうとする力が働くと考える方が自然です。それは、その時の石とスピード、水面、空気の状態が決定します。これなら、なぜ石があんなにも綺麗なジャンプをするのか納得できます。「水切りの法則」がありそうです。確かにその角度は20度位になります。しかし、薄くて比重の重い石の場合、10度位で見事なジャンプをします。20度という石の角度は、最も跳ねやすい角度ということで、沢山のジャンプをする事とは別の事ではないかと思います。また、薄い石の場合、強く投げると20度では空気や水にあおられて浮き上がってしまいます。20度では水の抵抗も大きく、沢山のジャンプは望めません。これはアメリカの水きり名人も同じようなことを言っています。石の入水角度は単純ではありません。石の形や比重によっても違いますし、投げ出す位置から水面までの石の軌跡やスピードでも変わります。実際に石はスピードのあるときは角度が浅くなり、スピードが落ちてくると20度に近づいてくるのです。いずれにしても、水きり現象は途方もなく奥が深く、謎の多い現象です。
 東京工業大学では、CIP法にによる跳飛現象の数値シミュレーションという研究を図解と超高速度カメラの映像で紹介しています。
 実際に東工大を訪問する機会がありました。水切りの研究は、CIP法により、水切り現象をシュミレーションするためのデーターをとるもののようでした。そのデーターから作られたコンピューター画像は、見事に水切り現象を再現していて科学の力を実感しました。データーは船舶の構造設計などに大いに役立っているそうです。
 教授は、私の無遠慮な質問にも丁寧にこたえてくれました。石の入水角度など実験結果も私の実感と共通のものが少なくありませんでした。
 実験装置は、実際の水切りのように石を水に投げ入れることはできないものでした。完全に円に近くないと回転を付けて投げられない構造です。さらに、実際の水切りを再現するには、石は水面に対し斜め上から下に打ち付けられなくてはいけません。その際、回転も水面に対して斜にする必要があります。この斜め回転の石を自由に投げる装置を考えてみましたが、実に難しい装置になりそうです。石の重さや形、回転、角度を変え、しかも投げる強さを自由にコントロールし、正確に同じ事を再現できなければなりません。水面の状態をコントロールできる広いプールも必要です。モデル石も数多くの種類が必要です。人の体はまったく同じ事の再現はできませんが、水切り石を投げるのには最高の装置とも言えるかも知れません。
 フランスの物理学者、リデリック・ボッケという人が、水切り38回を繰り返す条件を連立方程式を立てて計算した結果、石の初速だけではなく、回転率が成功の鍵になり。いい回転を与えることで、水面にぶつかっても傾きにくくなり、縦になって沈まない。ボッケは、このとき石は時速50キロ以上で投げられ、毎秒14回転しつつ12メートル以上の距離を飛んだと推測しているそうです。
 石の回転も、時速50キロも無理なことではありません。以前にも書いた博士の次の言葉は重要です。「それよりあなたの感性で研究する方が早いのでは…」人の感性は、計算はできなくても的確だと言うことです。その通りだと思います。筋肉と自然が複雑に関係する水きり遊びは、科学の外にある意識とか感覚の係わる部分が大きいということです。実際に、投げる石や水面の状態などは計算できないほど複雑です。水面に接する石の形状にも、さらに複雑な作用があります。また、石を水面に投げ入れる初めの位置や角度も、投げ出される石の比重や形、スピード、投げ出す手の高さによって変わります。石の比重や形の違いによる水切り現象についての研究例は見当たりません。
 大切な事は、水きり遊びは単純に見えても固体、液体、気体の三つが相互に関係する複雑な流体現象だということです。水面と石、天候、そして投げる人が調和した時、奇跡のような波紋を見る事ができるのです。水きり遊びはネイチャーゲームです。自分と自然との調和を探し、それを楽しむ遊びです。力だけはありません。発見の積み重ねによって、小さな子どもでも、信じられない数のジャンプが可能なのです。続く…

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