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» 2022年09月07日 09時00分 公開

カーリングはなぜ曲がるか? ミクロン単位で石の振る舞いを精密観測して解明CAEニュース

立教大学は、理学部 教授の村田次郎氏がこれまで“世紀の謎”とされてきた「カーリングはなぜ曲がるか」について、精密な画像解析によって実験的に解決することに初めて成功したと発表した。

[八木沢篤MONOist]

 立教大学は2022年9月5日、理学部 教授の村田次郎氏がこれまで“世紀の謎”とされてきた「カーリングはなぜ曲がるか」について、精密な画像解析によって実験的に解決することに初めて成功したと発表した。

カーリングストーンの軌道のイメージ。反時計回り回転で、進行方向に対して左曲がりする。「前後非対称説」は、後ろ側での摩擦が前より強いことが原因とする考え方である カーリングストーンの軌道のイメージ。反時計回り回転で、進行方向に対して左曲がりする。「前後非対称説」は、後ろ側での摩擦が前より強いことが原因とする考え方である[クリックで拡大] 出所:立教大学理学部

 村田氏が同大学で進めている4次元時空を超える5次元以上の余剰次元の探索実験のために開発した画像処理型変位計測(特許技術)を応用することで、カーリングストーンの振る舞いを世界で初めてミクロン単位で計測したという。

 計測は1998年長野オリンピックの会場となった軽井沢アイスパーク(長野県北佐久郡)の協力の下、コンパクトデジタルカメラと三脚のみというシンプルな機器構成で行われ、村田氏が1人でカーリングストーンを投げて観測した122回のショット全ての運動の精密データを得ることに成功した。

 その結果、カーリングストーンの下面が氷と歯車のようにかみ合って旋廻する現象などを観測した他、スピードが遅くなればなるほど動摩擦係数が大きくなるという性質を精密に実測でき、これが、旋廻を引き起こす摩擦支点の形成される確率が左右で異なる原因となることを明らかにした。これらの発見により、動摩擦係数の速度依存性によって左右非対称に旋廻の中心が形成されることが、この謎の答えとして最も合理的であると実験的に証明できたという。

今回の研究で行ったカーリングストーンの軌跡解析。軌跡とともに回転の様子も捉えることができた。「左右非対称説」は、氷に対する速度の違いから左右で摩擦力が異なることが偏向の原因とする考え方である 今回の研究で行ったカーリングストーンの軌跡解析。軌跡とともに回転の様子も捉えることができた。「左右非対称説」は、氷に対する速度の違いから左右で摩擦力が異なることが偏向の原因とする考え方である[クリックで拡大] 出所:立教大学理学部

 さらに、旋廻中心の位置の分布を調べたところ、直観に反して後ろ側の摩擦が強いはずであると主張する「前後非対称説」が主張するのとは逆に、摩擦は直観通りに後ろよりも前の方が強いということも確認ができた。この計測によって、単に動きを観察しただけでなく、進行方向の動きと自転のエネルギー、角運動量が保存されていることも確認し、正しく物理現象を観測したという信ぴょう性の高さも確認できたとする。なお、今回の研究成果はSpringer-Natureの「Scientific Reports」に2022年9月3日付で掲載されている。

中心から離れた点での摩擦支点による旋廻が原因とする「旋廻説」。今回の研究の結論は、「左右非対称説」と「旋廻説」を組み合わせたものだといえる 中心から離れた点での摩擦支点による旋廻が原因とする「旋廻説」。今回の研究の結論は、「左右非対称説」と「旋廻説」を組み合わせたものだといえる[クリックで拡大] 出所:立教大学理学部

 「カーリングはなぜ曲がるか」については、1924年に学術誌で問題提起されて以来、さまざまな仮説を巡ってNature誌上などで激しい議論が交わされてきた。速さの異なる右側と左側とでは摩擦力が違うせいだという「左右非対称説」、実際のカーリングストーンは下面に作られた細いリング状の接触面で氷と接するが、摩擦は実は前面ではなく何らかの理由により後ろ側の方が強いせいだという前後非対称説、カーリングストーンの下面の突起が氷面に引っ掛かって振られる「旋廻説」など、互いに正面から矛盾するさまざまな仮説が乱立してきた。

 物理学の観察対象としては極めて単純であり、用いられる学術的知識も高校から大学1年生で学ぶ初歩的な力学だけであるにもかかわらず、“世紀の謎”としてこれほど解明が難航してきた理由については、「仮説を判定するに足る十分に精密な実験データが技術的に得られなかったためであると考えられる」(プレスリリース)としている。

 また、村田氏はプレスリリースの中で、「本研究では、摩擦力は本来基礎的な概念ではなく、粗視化された二次的な統計量であると意識することでこの問題の理解を進められた。非保存力として知られる摩擦力の関与する現象では、力学的エネルギーが保存しないことになってしまうのもそのような一例だ。この考え方はカーリングにとどまらず、本来は便宜的に導入した概念をいつの間にか原理に格上げしてしまって混乱を引き起こすことになるという、科学でしばしば見られる過ちへの教訓となる。フレミングの左手の法則がパリティ対称性を破ってしまうという悩みも同根といえる。カーリングが世紀の謎となって解決が異常に遅れた原因の多くは、ここにある」との考えを述べている。

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