京都大学ELCAS(エルキャス)

実施レポート

[基盤コース後期]土の物理~ミクロからマクロへ~

農学研究科 施設機能工学研究室

2018年1月27日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 農学部総合館S173

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    土と水との相互作用によって起きるものとしてボイリング現象があり、これは地盤の崩壊や液状化にとって大きな原因である。
    今回の講義ではこのボイリング現象について理論的な説明の後、実際に実験室で砂と水を用いて再現を行い、受講生たちの前で現象を起こすことができた。
    その後、最終発表に向けての準備を始め、2班に分かれて発表の方針や内容について話し合った。

  • ボイリング現象の理論的な説明
  • ボイリング現象の実験の様子
  • 最終発表についての話し合い

活動を通して学んだこと

  • 測定でわかっている値をうまく使って代入などの式変形を繰り返し、求めたい値を求められるようにするまでの工夫を見て、研究者たちの理論面での努力を実感することができた。
  • 水の流れが土の粒子に与える影響を学び、実際にU字管に土を詰めて、水を流していき、限界動水勾配の手前まではほとんど変化のなかったU字管の片方の表面が、限界動水勾配を超えてから急に表面からボコボコボコっと土が溢れ出してきて、勢いよく砂を噴き上げて終わるという実験をして、普段当たり前のように使っている式の意味するところを実感を伴って理解できたと思う。
  • 浮力や動水勾配を計算しました。実験で思っていた通り土が出てくるまでの時間が長い事がわかりました。最初、水だけが流れる状態が長く続きますが、底面の水圧が上面の水圧を超えると土と水が混ざった泥が出てきました。これが噴砂の仕組みなのだと理解する事が出来ました。
  • 噴砂の仕組みについて、実験を実際に見ることなどで理解することができた。
  • 噴砂について学びました。噴砂という現象は今まで知りませんでしたが、実際に実験で見れたので良かったです。また、これまでに学んだことの両方を含んでいたので、復習的な面も多くわかりやすかったです。理論値と実験での結果を比べられなかったのが残念でしたが、機会があれば是非比較をしてみたいです。これに加えて、成果発表会の準備もしました。どういう雰囲気の発表会なのか全然イメージがつかないので、なかなか怖いです。自分たちの班では、今回した噴砂の実験をDEMを使ってシミュレーションすることになりました。
    家に帰ってから少しやってみましたが、水をどうすればいいのかが難しいです。あと1日しかないので家での時間も利用して、進めていきます。
  • 土の噴砂の計算の方法を学びました。また、実際の噴砂の実験も見せてもらいました。噴砂は、文字通り、土が吹き出すことです。水の流れの速さと土の摩擦力で、どれぐらいで砂が噴き出すか調べることができます。また、実際の噴砂を見せてもらえ、どんな風に動くのか見れて嬉しかったです。

2018年1月6日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 農学部総合館S173

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    水の流速を表す式であるDarcy則とある要素内での物質の流入出の総和を表す質量保存則を組み合わせた連立方程式を表計算ソフトであるExcelを用いて解くことで、土中の水の流れをシミュレーションした。

  • Darcy式の説明
  • 質量保存則の説明
  • Excelを用いてのシミュレーションを実行

活動を通して学んだこと

  • 今回の土中の水分量を連立方程式でしらべる講義で、障害物(土)の配置によって水の流れがどのようになるのかがシミュレーションできるようになり、個人的に気になっていたシンクホールという突然地面が抜け落ち、巨大な穴ができる現象についてのシミュレーションをすることが出来るかもしれないと思った。
  • 大量に計算して、得られた式や値をコンピュータに入力して、シュミレーションを行なうという操作を通じて、研究とは地味で単調だが頭も使う事務作業の繰り返しでとても大変だということが実感できた。それだけにうまくシュミレーション結果が得られたときの感動が大きく、研究を行うことの楽しさも実感することができた。
  • 今回エクセルを使って土中の水の流れをシュミレートする事をしました。エクセルで連立方程式が解ける事は知らなかったので、とても良い勉強になりました。Darcy則と質量保存則によるシュミレートは計算がややこしく解けるまで時間がかかりましたが、その分出来た時の達成感が得られたので良い経験が出来ました。最初は、土に連立方程式などの計算が関わるのかと疑問を抱いていましたが、水の流れる方向を計算で出せる事が分かり、底が面白かったです。今回の課題を理解出来たので良かったと思います。
  • 文字がたくさん使われている連立方程式を解く時は、エクセルをうまく使うと計算が簡単にできるということ。
  • 土に含まれる水の流れの計算方法について学びました。計算は多かったですが、結果は想像していたものと似ていて、とても楽しかったです。
  • 土の中の水の流れをexcelを用いてシュミレートしました。9つのマスに分割してそれぞれ式を立ててそれを連立方程式で求めました。その式もかなり長かったのですごい計算に苦労しました。その際にチューターさんが、excelを使ってなるべく楽に解く方法を教えてくださいました。今までこれほど長い式を解いたことがなかったので、計算方法の工夫のありがたさを痛感しました。

2017年12月23日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 農学部総合館S173

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    前回、内部摩擦角を求めるのに用いた砂、ガラスビーズ、パン粉についての
    土粒子密度試験について、原理の説明ともに、実際に実験を行った。
    実験に際して、ピクノメーターなど器具の説明や、地下実験室の紹介も行った。
    土粒子密度試験は、試料の空隙を求める他に、本コースで主に行う
    DEMのパラメーターとしても重要である。

  • 土粒子密度についての説明
  • ピクノメーターを用いて密度試験をしている様子
  • 次回の内容のイントロダクション

活動を通して学んだこと

  • パン粉と蒸留水をピクノメーターに入れて煮沸させた時に気泡をぬくのが大変でした。その後に、蒸留水をたしてストッパーをつけるのも気泡が入ったりして難しかったです。
  • ガラスビーズの密度を実験によって測定しました。実験の中にガラスビーズの中に含まれている空気を抜くために煮沸するという工程がありました。空気ご抜けると思っていたら、ガラスビーズに空気がくっついてしまいました。予想外の結果に驚きました。やはり実験には失敗が付き物だと改めて感じました。煮沸が終わるのを待っている時間に、大学の研究で使われる器具を説明して下さいました。こんなに本格的な器具を使うのかと感動し、これからの実験や大学での実験が凄く楽しみになりました。
  • 実験は多くの準備と地味な作業の繰り返しで、研究を行うために必要なデータを得ることは簡単にできることではないということを実感できた。
    EXCELを用いて連立方程式を解く方法を教わったがそれを理解するためには数学の「行列」の知識が必要で、自分はそれを既に独学で身につけていたのでよく理解できた。学校での勉強以外にも独学でで好きなことを勉強しているとどこかで役に立つということを体験できた。
  • 物の体積を測る実験を行いました。体積を測るといっても、普通の物は立方体のように長さや高さがきっちり決まっていないので、簡単に測ることは出来ません。実験では、水に物を沈め、質量の変化を測ることで体積を計測しました。私はパン粉の体積を計測したのですが、空気の泡がたくさんついてしまい、地道に針金で取り除きました。また、普段の実験に使っている実験室も見せてもらえ、とても良い経験になりました。
  • 今回は砂の体積を求める実験をしました。やり始める前、自分では水に砂を入れて溢れた水の体積を見るやり方しか思いつきませんでした。しかしそれでは正確にはできないということで、水がどのくらい置き換わったかで体積を求めました。電子天秤が風除け付きと高校では見たことがなく驚き、一層丁寧にデータを取らないとと思いました。また、実験室にも入れさせていただき、コンクリートの耐久実験装置など興味深いものが多くとても面白かったです。最後にexcelで連立方程式の求め方を習いましたが、仕組みがよくわからないのできちんと理解したいです。

2017年12月2日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 農学部総合館S173

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    土などの粒子を自由落下させたときに生成される山の角度である安息角を測定する実験と、実験結果を再現するシミュレーション、および実験とシミュレーションに先立った講義を行った。

  • 実験とシミュレーションの説明および基礎的な講義
  • 安息角を測定する実験の様子
  • 実験結果をシミュレーションで再現する様子

活動を通して学んだこと

  • 密度や摩擦係数を変えると現実に近いシミュレーションを行うことができる。
  • 途中、ぐだぐだになっていたくだりがあったのでそこを改善したいと思います。自分たちの身近にあるパン粉が実験材料になっていて、興味深かった上、いい研究データも取れて良かったです。
  • コンピューターは膨大な数の計算をこなすが、やはり、あまりにも量が多くなると動作が遅くなるということを実感した。
  • 様々な種類の粒のシュミレーションは密度や摩擦係数といった粒子の情報をうまく設定することでできることがわかった。現実での実験とコンピューターでのシュミレーションを比較することで、砂の摩擦角といった物理において重要な値を計算以外の方法で求めることができることに驚いた。
  • Excelなどのコンピュータソフトを活用した実験結果の分析。実験に対する試行錯誤。実験のデータの記録。
  • 今回もDEMを使った実習でした。しかし前回と違って実際に砂、ガラスビーズ、パン粉を用いて安息角を測りその結果に近づくように摩擦角と転がり係数、減衰の値を変えていくというものでした。一つの結果に近づくように三つの値を変えていくのはパターンが多すぎてどこか手をつけたらいいのかわかりませんでした。分からないながらにも数値をいじってみると、少しの値の変化で結果がかなり変わっていってやっていて飽きなかったです。データを頂けたのでまた家でもやろうと思います。

2017年11月18日

  • 実施場所

    吉田キャンパス 農学部総合館S173

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    本コースで学ぶ数値計算法の主要なツールであるDEM(個別要素法)についての
    詳細なアルゴリズムの説明と演習、そしてそれが組み込まれたプログラムを用いた
    計算練習を行った。計算練習の内容については、プログラムの基本的な使い方や
    少数の粒子の衝突、その描画といった基本的なものだった。

  • DEMアルゴリズムの説明
  • 基本的な粒子衝突プログラムを動かしている様子
  • 基本的なパラメータ変更の説明

活動を通して学んだこと

  • 計算がむずかしかったけど、ボールを動かすのが楽しかったです。壁を作るときに思ったとおりに作らなくて大変でした。
  • DEMを率いて計算をすることが思った以上に興味深くて、再来週の講義が楽しみになった。今日の講義で動かない時と動くときの接触点に対する相対速度について理解できてよかった。再来週の講義で円運動などの公式を頭に入れながらDEMの計算を考えていきたいと思う。
  • コンピューターは計算が異常に早くできるだけであるが、それは侮ることが出来ないほどの多くのことを実現可能にするということを実感した。
  • 今回の講義で初めてコンピュータを使った実習をさせて頂きました。自分で計算内容をいじくり、結果を予想してその通りに出来た時がとても嬉しかったです。example01の実習がとても充実していて、建築士の方は設計図を書く際は今回のように予測を立てながらされてるのだと思いました。単位ベクトルが自分一人では全く出来なかったので、もっと勉強しようと思いました。
  • 普段何気なく使っているコンピューターは、実はその裏側で大学生レベルの計算を大量に行うことでやっと一つのアプリケーションを動作させているということ。
  • 前回までに学んだ数式をより深め、それを活用したプログラムであるDEM計算の使い方を学びました。前回はよくわからなかったことを、今回は何とか理解できたことがとても嬉しかったです。DEM計算は物体の性質や位置を定め、障害物を配置してどのように動くかを確かめるものです。とても沢山の計算を代わりにしてくれたのか目に見えて、コンピュータが科学の発展に大きな役割を果たしたのかを感じました。
  • 先週、兵庫県総合文化祭に参加し他校の部活等の研究を見る機会がありました。その時に結果を鵜呑みばかりせずに、「こうしたらもっといいのではないか」ということや「ここは違うんじゃないのか」というふうに見ることができました。 前回のELCASを欠席してしまったので、ついていけるか不安でしたがTAの方達が親切に声をかけてくれたりして、分からないこともその場で解決できました。高校でやっている円運動やトルクの公式で粒子の運動を求めることができ一見複雑そうな運動でも物によれば意外とわかりやすく求まるのだと分かりました。パソコンを用いて粒子のシミュレーションもでき、あっという間の4時間でした。

2017年11月4日

  • 実施場所

    吉田キャンパス

  • 当日の講師

    村上 章 教授
    藤澤 和謙 准教授
    福元 豊 助教(長岡技術科学大学)

  • チューター

    友部 遼、森田 健太郎、古川 智大

  • 実習の内容

    本コースのガイダンス、土壌の基礎知識や物理的特性、DEMの基礎を講義した。DEMはDistinct Element Method(個別要素法)の略語であり、このコースで学ぶ数値計算法の主要なツールである。

  • 土の物理~ミクロからマクロへ~_実習風景本コースのガイダンスと土の基本的性質の説明
  • 土の物理~ミクロからマクロへ~_実習風景土の物理的特性の説明
  • 土の物理~ミクロからマクロへ~_実習風景DEMの基礎となる数学や物理法則の説明

活動を通して学んだこと

  • 物理の知識はいろいろな事に使えるということと、土は土木としか関係がない訳ではなくいろんな所と関係がありということ。
  • 土の物理がとても数学的で面白かった。DEM式についての講義もたのしみです。
  • 土という生活のかたわらに常にあるものですら、私たちは深くを理解できていなかったということを知れた。コンピューターが人のおよびつかないほど高性能であると思っていたが、四則演算を物凄い速度で繰り返しているだけで、数学という分野内だけでも、人間に簡単にできて、コンピューターにできないことがあると知った。コンピューターがその役割を自分自身で考え、自分自身を有効に使いこなせるようになるには遠い未来の話だと思った。
  • 粉粒体とつぶつぶの視点の話が印象に残っています。僕はこれまで土は固体だと思っていましたが、豪雨や地震で土砂崩れになれば、それは水のような流体となります。「固体と流体に区別して説明できない」という考えが僕には新鮮で、これまでとは違った視点で見る事でこんなにも見える世界が違うのだと分かると大変感激しました。
  • 今まで全く知らなかった世界を知ることができた。また、それによってこれからの活動へ期待感が高まった。自分は高校1年生でさらに高校の授業計画が他の高校と異なっているせいで、他の受講生はすでに習ったが自分はまだ知らない内容が多くあった。他の受講生との差を埋め、講義についていけるように予習しておく必要があることがわかった。
  • 物事は式で表せるということ。すごく数学が道具なんだな、ということ。

平成29年度 実施レポート

年度別の実施レポート