2. 土の中の不思議な実験

2.1 砂に対する実験

●地震が起きると新聞やテレビで“液状化”による被害が出たことが報道されています。
  この現象を水そうで再現する実験です。

砂1砂2 

○実験の結果

 砂地盤が水のようになり、重いものは沈み、水より軽いものは浮かびます。
 実際の建物では、沈んだのは重い建物、倒れたのは軽い建物、浮いたのは地下に埋まっている下水道やマンホールにあたります。

関連サイト:埼玉大学工学部建設工学科振動研究室 地震時の液状化現象について

●砂の粒子の大きさの違うものを混ぜ合わると体積はどうなるかな。

砂3砂4  

○実験の結果

 体積は小さくなります。
 これは、大きな砂の粒子の問に小さな砂の粒子が入り込んだためです。
 だから、色々な大きさの砂の粒子が混ざった土ほど良く締まり硬くなります。

2.2 倒立振り子の実験

 皆さんは、地震のとき高い建物と低い建物ではどちらの建物が大きく揺れるかご存じでしょうか。
 実はこれは建物のもっている「固有周期」というものにより異なるものなのです。
 この実験では、振り子を使って、この固有周期について学んでみたいど思います。
 実験方法は至って簡単で、下図に示すような倒立振り子を用います。

倒立振り子
倒立振り子の模型

 振り子と土台を結ぶ棒の長さは、振り子により異なりますが、これは建物の高さと考えてください。
 まず、振り子を極く軽く一定方向、かつ一定間隔で揺すってみてください。この時、一つ一つの振り子の揺れ幅や揺れる早さに注目してください。
 揺れが小さい場合は、今揺すったカよりやや強いカでもう一度揺すってみてください。
 振り子の動きの違いが良〈わかると思います。
 さて、最も早く動く振り子と、最も大きく揺れる振り子はどの振り子になるでしょうか?

振り子の実験1振り子の実験2 

○実験の結果

 最も大きく揺れる振り子  (3)
 最も早く揺れる振り子   (1)
 予想は当たったでしようか?
 それぞれの長さの振り子は、棒の長さが長くなればなるほど大きく、ゆっくりと揺れることがわかると思います。
 このときに、棒が一往復するのに要する時間を専門用語で「固有周期」と呼ぶのです。

揺れ

 実際、同じ地震が起こっても5階、10渚、20階の建物では揺れ方がそれぞれ異なります。
 一般には建物が高くなればなるほど建物の固有周期が長くなり、ゆっくりと大きく揺れるようになります。
 また、固有周期は、地面の上に建っている建物のほか、地面の下の土にもあります。
 普通、軟らかければ軟らかいほど揺れ幅が大きくなります。
 もし、土の固有周期と建物の固有周期が一致したらどうなるでしょうか。この場合、共振という現象が起こり、揺れ幅がさらに大きく なることになります。
 建物の耐震設計は、土の固有周期や建物の固有周期を計算し、地震によって建物が揺れても安全なように行っているのです。

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