13:45 〜 15:15
[O11-P66] ダイラタント流体の衝撃吸収の関係
キーワード：ダイラタント流体、はちみつ、衝撃吸収性
研究背景
自転車通学で、ヘルメットを着用するようになりヘルメットが保管時に大きいと感じ、小さくできればスペースを取らず便利になると思ったのがきっかけになった。そこで、衝撃を与えると粘性が大きくなるダイラント流体を用いることで、折りたたむことができるが、衝撃に対しては強いヘルメットをつくることができるのではないかと考えた。
ダイラタンシー現象とは
ダイラタント流体とは、非ニュートン流体の一種で、ずり速度とともに粘性が大きくなるもの(1)をいい、片栗粉を水に溶いた混合物などがある。ダイラタンシー現象はこのような流体が衝撃により強度が増し、流体が個体のようになる現象である。片栗粉の場合、はじめは、水の中に片栗粉の粒が浮いている状態になっているが、にぎると力がかかり、粒の並びが変わる。すると、粒のすき間が大きくなり、水がすき間に入り（この時、水がすき間に吸い込まれ、乾いたように見える。)、浮いている粒と粒がぶつかり合い、固くなって固体の状態に変化する。力を抜くと、形がくずれてもとの液体の状態に戻る(1)。
実験方法
純水、油、炭酸水、はちみつと片栗粉を混ぜて流体を作成し、その上から鉄球を落として加速度を計測した。（使用器具：スマートフォンアプリphyphox(3)）最初は、液体と片栗粉50g：100gで混ぜ、加速度の計測を10回行い、液体の量を10g増やす。この操作を液体90gまで行う。ただし、先行研究を参考にして純水と片栗粉は75g：100gで固定する(4)。
結果・考察
はちみつ70gと90gのとき、加速度が小さかった。つまり、流体の衝撃吸収性が高いということが分かった。
ただし、はちみつ 70gと90gで加速度が小さくなったが、 90gのときは固体に近いと考えられるため、衝撃吸収性が高まるのは、はちみつ 70gと片栗粉 100gと考える。
今後の展望
今回の実験では、ヘルメットの形にするところまではいかなかったが、今後はヘルメットの形にして内部にはちみつと近い性質を持つ液体によって作成した流体を入れたものを作成する。その際は、流体をどのようにしてヘルメット内で均一に保つかが課題である。また、箱型の折りたたみヘルメットを作っている先行研究はあったが、頭の形にあった半球型のヘルメットの作り方の工夫も必要である。
参考文献
(1)九州大学、ダイラタント流体、ダイラタンシー、九州大学統計物理学研究室ホームページ、http://www.stat.phys.kyushu-u.ac.jp/~nakanisi/Physics/Dilatancy/(2025-3-21)
(2)名古屋市上下水道，にぎるとかたまる？ふしぎな液体， 名古屋市上下水道局ホームページhttps://www.water.city.nagoya.jp/uruoi_life/category/learn/145187.html（2025-03-21）
(3)アーヘン工科大学開発、スマートフォンアプリphyphox(physical phone experiments)
https://phyphox.org/（2025-3-21）
(4)五十嵐瑛太,加藤音羽,工藤海斗,佐藤光聖，ダイラタンシーを利用したヘルメットの衝撃吸収性能，秋田県立由利高等学校ホームページ， http://www.yuri-h.akita-pref.ed.jp/yuri-h-cms/assets/uploads/2022/03/ c1284e091dba05fa24231fc505db1c94.pdf
（2025-03-21）
(5)可知朋之,熊崎崎斗,森悠太，ダイラタンシー流体の強度測定とその応用，岐阜県立恵那高等学校ホームページhttps://school.gifu-net.ed.jp/ena-hs/ssh/H31ssh/sc3/31905.pdf（2025-3-21）
(6)山縣 義文、身近なレオロジー その1はちみつとマヨネーズの流動（粘度）曲線、https://www.jstage.jst.go.jp/article/rheology/50/4/50_343/_pdf(2025-4-13)
自転車通学で、ヘルメットを着用するようになりヘルメットが保管時に大きいと感じ、小さくできればスペースを取らず便利になると思ったのがきっかけになった。そこで、衝撃を与えると粘性が大きくなるダイラント流体を用いることで、折りたたむことができるが、衝撃に対しては強いヘルメットをつくることができるのではないかと考えた。
ダイラタンシー現象とは
ダイラタント流体とは、非ニュートン流体の一種で、ずり速度とともに粘性が大きくなるもの(1)をいい、片栗粉を水に溶いた混合物などがある。ダイラタンシー現象はこのような流体が衝撃により強度が増し、流体が個体のようになる現象である。片栗粉の場合、はじめは、水の中に片栗粉の粒が浮いている状態になっているが、にぎると力がかかり、粒の並びが変わる。すると、粒のすき間が大きくなり、水がすき間に入り（この時、水がすき間に吸い込まれ、乾いたように見える。)、浮いている粒と粒がぶつかり合い、固くなって固体の状態に変化する。力を抜くと、形がくずれてもとの液体の状態に戻る(1)。
実験方法
純水、油、炭酸水、はちみつと片栗粉を混ぜて流体を作成し、その上から鉄球を落として加速度を計測した。（使用器具：スマートフォンアプリphyphox(3)）最初は、液体と片栗粉50g：100gで混ぜ、加速度の計測を10回行い、液体の量を10g増やす。この操作を液体90gまで行う。ただし、先行研究を参考にして純水と片栗粉は75g：100gで固定する(4)。
結果・考察
はちみつ70gと90gのとき、加速度が小さかった。つまり、流体の衝撃吸収性が高いということが分かった。
ただし、はちみつ 70gと90gで加速度が小さくなったが、 90gのときは固体に近いと考えられるため、衝撃吸収性が高まるのは、はちみつ 70gと片栗粉 100gと考える。
今後の展望
今回の実験では、ヘルメットの形にするところまではいかなかったが、今後はヘルメットの形にして内部にはちみつと近い性質を持つ液体によって作成した流体を入れたものを作成する。その際は、流体をどのようにしてヘルメット内で均一に保つかが課題である。また、箱型の折りたたみヘルメットを作っている先行研究はあったが、頭の形にあった半球型のヘルメットの作り方の工夫も必要である。
参考文献
(1)九州大学、ダイラタント流体、ダイラタンシー、九州大学統計物理学研究室ホームページ、http://www.stat.phys.kyushu-u.ac.jp/~nakanisi/Physics/Dilatancy/(2025-3-21)
(2)名古屋市上下水道，にぎるとかたまる？ふしぎな液体， 名古屋市上下水道局ホームページhttps://www.water.city.nagoya.jp/uruoi_life/category/learn/145187.html（2025-03-21）
(3)アーヘン工科大学開発、スマートフォンアプリphyphox(physical phone experiments)
https://phyphox.org/（2025-3-21）
(4)五十嵐瑛太,加藤音羽,工藤海斗,佐藤光聖，ダイラタンシーを利用したヘルメットの衝撃吸収性能，秋田県立由利高等学校ホームページ， http://www.yuri-h.akita-pref.ed.jp/yuri-h-cms/assets/uploads/2022/03/ c1284e091dba05fa24231fc505db1c94.pdf
（2025-03-21）
(5)可知朋之,熊崎崎斗,森悠太，ダイラタンシー流体の強度測定とその応用，岐阜県立恵那高等学校ホームページhttps://school.gifu-net.ed.jp/ena-hs/ssh/H31ssh/sc3/31905.pdf（2025-3-21）
(6)山縣 義文、身近なレオロジー その1はちみつとマヨネーズの流動（粘度）曲線、https://www.jstage.jst.go.jp/article/rheology/50/4/50_343/_pdf(2025-4-13)