研究の動機

　祖母の家がある神奈川県湯河原町の吉浜海岸によく散歩に行き、貝やきれいなガラスを拾った。砂浜には、たくさんのサーファーの足跡が付いていた。弟がサーファーの足跡をたどって遊んでいたが、足跡は海まで深くくっきりと付いていて驚いた。砂浜には、犬やカラスなど動物の足跡もくっきり付いていた。
　しかし、家の近くの静岡県静岡市の久能海岸で足跡を付けようとしたら、ほとんど付かなかった。どちらも砂でできた海岸なのに、なぜ久能海岸は吉浜海岸のように足跡がくっきりと付かないのか、疑問に思ったことが研究を始める動機になった。

左が久能海岸の足跡、右が吉浜海岸の足跡

研究の実際

実験①　ふたつの海岸の砂のへこみにくさを比較する

　久能海岸が吉浜海岸より足跡が付きにくいことを、科学的に証明するため、実験①を行った。ふたつの海岸の砂にビー玉を落とし、へこんだ深さを比較する落下実験だ。正確なデータを得るためには、人の手で重りを落とすのではなく、機械で同一条件に落としたほうがよい。僕はプログラミングを習っているので、レゴマインドストームのプログラミングを使って実験装置を作製した。

自作の落下実験装置

　その装置に、ふたつの海岸の自然乾燥させた砂をセットし、ビー玉を落とした。それぞれの海岸の砂に10回ずつビー玉を落とし、へこんだ深さの平均値を求めた。実験では毎回、砂を容器の外に出してから山盛りに入れ、棒ですりきって平らにした。落下したビー玉を写真に撮り、紙に印刷する。印刷された砂のへこみを、デジタルノギスを使って計測した。写真には定規の目盛りが一緒に写るようにしているので、それを基にビー玉が埋まった深さを求めた。
　すると砂がへこんだ深さは、久能海岸が平均12.28mm、吉浜海岸は平均13.32mmだった。久能海岸の砂は、吉浜海岸の砂よりへこみにくいと考えられる。
　実験①からへこみにくさの要因について、3つの仮説を立てた。まず肉眼で観察すると、久能海岸の砂は粗粒が多く、吉浜海岸の砂は細粒が多かった。そこで仮説Aとして、「砂のへこみにくさは砂の粒度組成が影響している」可能性を考えた。次に、実体顕微鏡で観察すると、久能海岸のほうが吉浜海岸より角に丸みのある砂が多いと感じた。そこで仮説Bとして、「砂のへこみにくさは砂の平面的形状が影響している」可能性を考えた。最後に実体顕微鏡で観察すると、久能海岸のほうが吉浜海岸より、平たい砂が多いと感じた。そこで仮説Cとして、「砂のへこみにくさは砂の立体的形状が影響している」可能性を考えた。実験②〜④で、3つの仮説を検証した。

実験②　ふたつの海岸の砂の粒度組成を比較する

　自然乾燥させたふたつの海岸の砂を目開きが2mm、1mm、0.5mm、0.25mmのふるいにかけ、ふるいにかかった砂の重量を測定した。次に、下の図の数式で各粒度（2～1mm、1～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25mm以下）の存在割合（重量%）を調べた。この作業を5回行った。

　その結果、久能海岸の砂は、2～0.5mmの粒度の砂が約80%で、粗い砂が多かった。吉浜海岸の砂は、0.5～0.25mm以下の粒度の砂が約90%で、細かい砂が多かった。久能海岸と吉浜海岸の砂の粒度組成は大きく異なっていた。
　実験②から、仮説A「砂のへこみにくさは砂の粒度組成が影響している」は正しく、久能海岸の砂がより粗いことから、吉浜海岸のように足跡がくっきりと付かない可能性がある。

実験③　ふたつの海岸の砂の平面的形状を比較する

　平面的形状を比較するために、砂の真円度を調べてみた。まず、久能海岸と吉浜海岸の砂をそれぞれふるいにかけて、2～1mm、1～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25mm以下の砂に分ける。その各粒度の砂から、約30個ずつを四分法で選んだ。選んだ砂をそれぞれ、実体顕微鏡で拡大してデジタルカメラで撮影する。撮影画像の砂の面積と外周を、パソコンの画像計測ソフトを使って計測した。最後に表計算ソフトを使って、砂の面積と外周のデータから真円度（面積÷外周²）を求めた。
　すると、久能海岸と吉浜海岸の砂の真円度は、どの粒度（2～1mm、1～0.5mm、0.5～0.25mm、0.25mm以下）でも、ほぼ差がなかった。このことから、仮説B「砂のへこみにくさは砂の平面的形状が影響している」は間違いで、久能海岸が吉浜海岸のように足跡がくっきり付かないのは、砂の角の丸みが原因ではないと考えられる。

砂の向きを変えている様子

実験④　ふたつの海岸の砂の立体的形状を比較する

　立体的形状を比較するために、砂の扁平度を調べてみた。まず、久能海岸と吉浜海岸の2～1mmの砂をそれぞれ50個ずつ、四分法で選んだ。実体顕微鏡で砂を拡大し、砂の最大面積の面（面A）を撮影した後、ピンセットで砂の向きを変え、その側面（面B）の写真を撮る。画像計測ソフトを使って両方の面積を計測し、得られた面Aと面Bの面積から扁平度（面Aの面積÷面Bの面積）を計算した。2～1mmより細粒の砂は、向きを変えるのが難しかったので測定できなかった。計測に使用した砂は、すべて研究ノートに保存した。
　扁平度の値が大きい砂ほど平たいことになるが、実験の結果、久能海岸のほうが吉浜海岸より平らな砂が多かった。久能海岸は吉浜海岸より、扁平度1.5以上の砂が1.75倍多く、扁平度2以上の砂は2倍多かった。このことから、仮説C「砂のへこみにくさは砂の立体的形状が影響している」は正しく、久能海岸はより粗粒で扁平な砂が多いことから、吉浜海岸のように足跡がくっきりと付かない可能性がある。

実験⑤　仮説AとCを再検証するためのモデル実験

　仮説A「砂のへこみにくさは砂の粒度組成が影響している」は、実験②で否定されなかった。仮説C「砂のへこみにくさは砂の立体的な形状が影響する」は、実験④で否定されなかった。本当に砂の粒度組成と立体的形状がへこみにくさに影響するのか、サイズや形状がほぼ一定の食材を砂に見立て、さらに調べてみた。砂に見立てた食材は、食塩、グラニュー糖、キヌアだ。
　食塩、グラニュー糖、キヌアをそれぞれ、実験④と同じ方法で扁平度を計算した。10個の塩の平均面A面積は0.44㎟、平均面B面積は0.30㎟、平均扁平度は1.49だった。10個のグラニュー糖の平均面A面積は0.86㎟、平均面B面積は0.51㎟、平均扁平度は1.67だった。10個のキヌアの平均面A面積は3.28㎟、平均面B面積は1.87㎟、平均扁平度は1.76だった。次に、塩と塩、塩とグラニュー糖、塩とキヌアを混ぜ（すべて体積比1対1で混ぜた）、実験装置でそれぞれへこむ深さを測った。
　すると、塩と混ぜた食材の粒度が粗くなると、へこみにくくなった。また、塩と混ぜた食材の扁平度が高いと、へこみにくくなった。そして、へこみにくさには、食材の粒度より扁平度が大きく影響することがわかった。

研究の結論

　久能海岸が吉浜海岸のように足跡がくっきりと付かないのは、粗粒で平たい砂が多いため、と考えられる。