氷雪の摩擦特性とその利用技術

(a)スケートの滑り現象

スピードスケートの刃の厚さは、1.2mm～1.5mm（フィギュアスケートの刃の厚さ：2.5mm～3.8mm）であり、この刃によって氷結晶の表面に溝が刻まれ、再結晶化や微細なクラックが発生します。また、溝の外側には小さな氷の盛り上がりができます。低速度における動摩擦係数は、図6に示すように重り（荷重：380ニュートン）を付けたスケートをけん引装置により、多結晶氷面（後述の図８(a)参照）を低速度で滑走させて測定されています。

図6 スケートの動摩擦係数測定装置の概要

図７は、スケートの低速度（滑走速度）領域における動摩擦係数と滑走速度の関係を示したものです。
動摩擦係数は、牽引力（摩擦力）を荷重で割ることで求めています。測定時の氷の温度は、-5.5℃で、荷重は380ニュートン[N]の場合です。図中の枠で囲んだ部分が測定値の範囲を示しています。データにばらつきがありますが、速度の増加とともに動摩擦係数が減少する傾向にあることが理解できます。

図7 低速領域におけるスケートの滑走速度と動摩擦係数の関係

図７に示すスケートの滑走速度による動摩擦係数の変化は、氷結晶面が図８(a)に示すように結晶面の方向が様々な方向を有する多結晶氷によるものです。氷面の滑り易さは、結晶面の方向で変わることが知られています。図８（b）は、氷柱の氷結晶面方向により動摩擦係数が変わることを示したものです。氷結晶構造のｃ軸に垂直な底面（ベーサル面^＊4）の動摩擦係数が最も小さく、さらに柱面の結晶端面の結晶層に並び沿う方向の動摩擦係数が次に小さくそして結晶層を横断する方向の動摩擦係数が一番大きくなります^１）。

競技用スピードスケートで氷の滑りが良い、すなわち氷の動摩擦係数の小さなｃ軸に垂直なベーサル面でできた氷面で構成される高速スケートリンクを作る試みが、長野冬季オリンピックで実施されました。上述の写真１で示す単結晶の氷筍を直径約40cmに成長させて、氷厚さ約7ｍｍに薄く輪切りした単結晶氷シート約60万枚をスケートリンクにある基盤氷の上に敷き詰めて、水を供給しながらゆっくりと氷結晶を成長させて、ベーサル氷結晶面を完成させています。その結果、通常のリンクに比べて動摩擦係数が約20％も小さな高速リンクとなり、長野オリンピックでは、5つもの世界記録が生まれました。また、スケートの滑走速度は、氷の動摩擦係数以外に空気抵抗の影響が大きいので、平地よりも空気抵抗が小さな高地にあるスケートリンクが記録には有利になります^５）。

(a)多結晶の氷表面

(b) 氷柱の結晶方向と摩擦係数

図8

近年、製氷技術を使ったアイススケートリンクなどの建設費や維持費などの削減に、氷を使わないプラスチックなどの合成樹脂を使った模造氷のリンクが出現しています。材質はポリエチレンプレートなどの比較摩擦係数の小さいものが選定されており、その表面に潤滑剤としてワックス膜を塗り、スケートの刃（ステンレス）との摩擦係数は、0.15～0.27程度とされて、氷面より滑りは劣るようです。

＊4：氷結晶層は、トランプのカードを積み重ねて柱状にしたものに例えられ、カードの面は、図８（ｂ）に示すような氷の結晶構造格子（0001）面すなわち氷結晶のｃ軸に垂直な面をベーサル面と呼んでいます。

(b)スキーの滑り現象

スキーの雪面に対する滑りは、スケートのよりも他の因子の影響を受けることになります。
図９は、スキーの滑りに対する抵抗を示したもので、・空気抵抗、・スキー底面と雪面間の摩擦抵抗、・スキー先端曲げ部による除雪抵抗などです。 スキーの滑りに関連する雪質に関して、「新雪」は積もって間もない雪で、密度は70～100kg/m³と小さく、雪の重みで圧縮された「しまり雪」は、密度300～400kg/m³そして雪粒が大きくなった「ざらめ雪」は、密度300～500kg/m³とされています。

図9 スキーの滑りに関連する因子

しまり雪（雪密度350kg/m³）面上で、スキー（ポリエチレン製）に荷重（500ニュートン）を印加して、けん引装置によりスキーを一定速度で滑らせて、動摩擦係数の測定した結果を図10に示します。スキーがしまり雪面を滑走した後には、圧接された溝（シュプール）が観察されます。滑走速度の増加とともに、動摩擦係数は増加する傾向にあり、スキーに疎水性のワックスを塗布した場合の方がその潤滑作用により動摩擦係数は小さくなる傾向にあります^１）

図10 スキーの滑走速度を動摩擦係数の関係

(c)カーリングストーンの滑り現象

氷結晶面の滑りを制御するスポーツにカーリングがあります。カーリングストーンは硬い花崗岩からできており、直径30cm、質量20kg、その底面はカップと呼ばれ、図11に示すように窪んでおり、直径130mm、幅5mm程度のリング状のランニングバンド呼ばれる平坦部があります。氷表面に噴射ガンにより水滴を噴霧し、微細な氷結晶粒子であるペブルを分散生成させます。写真２に示すペブルによる凸凹した氷面状を、カーリングストーンの平坦なランニングバンドがペブルを塑性変形や破壊を繰り返しながら、カーリングストーンが複座な軌跡を描いて滑走することになります。ランニングバンドとのペブルの存在する氷結晶面の摩擦現象は複雑なものとなります。このペブルを含む氷面とランニングバンド間の摩擦力の分布などから、ストーンに右回転の自転が加わると、ストーンは氷面上を右に曲がり、左回転の自転でストーンは氷面上を左に曲がることになります^１）。カーリングストーンの動力学的挙動の詳細な解説は、サイエンスコラムの関連サイトである「カーリング」をご覧ください。

図11 カーリングストーンの構造

写真2 ペブルの状態

(a)ソリ（橇）の滑り

今から約4000年前のエジプトでは、ピラミッドの建設に重さ数トンの石を木製のソリ（橇）などを利用して運搬する際に、地面に油などを撒いてソリの滑りを良くして効率的な運搬をしていたそうです。ソリは代表的な雪・氷上の運搬具であり、特に雪上ではソリの滑り面を広くして荷重を分散することで沈下を防ぎ、牽引力や移動速度が得られるようにしています。ソリは自力で動くことや方向転換ができないので、動力ごとに、人力ソリ、犬ゾリ、馬ソリなどの形態があり、運搬具や交通機械として活用されています。冬の交通手段として1960年代位までは北海道や東北地方で、図12に示すような馬ソリが活躍していました。ソリの滑り面の摩擦抵抗を少なくするために、ステンレス製のライナーを木質のすべり面に取り付ける工夫がされていました^６）。

図12 馬ソリの構造

(b)スケート電車

氷の滑り現象を利用した新都市交通システムの検討がなされていました。写真３は試験用スケート電車の外観を示したもので、図13はスケート電車の概要を示しています。木造の試作電車二両が四つの氷塊（角型）に乗って1周約30ｍの軌道上を速度20km/hで移動したと報告されています。氷の車輪の魅力は、軌道である凹状の樋内で融解した薄い水膜が摩擦抵抗の極端な低下をもたらし、運転コストと通常の軌道に比べ建設コストも大幅に低減すると言われています。推進力は、電車の車底中央に設置した電気モーターで駆動する動力輪で、発進、推進そして停止を制御します。試作電車では角型氷を使用していましたが、車輪と同様の形状で、外周の部分を氷層とした氷車輪と軌道との接点で氷の融解が進むと新たな氷を形成する冷却システムの検討もされています。夏期においても氷の解ける速さは1分間に平均5mm程度と計算されて、十分夏期でも運転可能と報告されています。

このような氷の車輪の利用は、振動、騒音そして摩擦による摩耗切削も少ないことより、クリーンルームなどでの搬送システムなどが期待されます^７）。また、寒冷地域でのリニアモーターカーのプラットフォームに氷の軌道を設けて、着地に伴う数十トンの荷重を支えて、プラットフォーム内の移動を可能とする構想もあります。

写真3 試作スケート電車の概要

図13 スケート電車の概要

(a)圧雪・氷板路面における靴の滑り抑制

滑りやすい雪氷路面の歩き方として、①重心移動の少ない小さな歩幅で歩く、②靴の裏全体をつけて歩く、③急がずに焦らずに余裕を持って歩くなどが推奨されており、歩き始めと歩く速さを変えるときは要注意とされています。
積雪寒冷地域の冬期用靴は、耐滑性を有すことが必須条件とされ、ゴム製の靴底は滑り止め用突起や水膜排出用の窪んだ凹部などを有しています。通常、靴底の氷面に対する動摩擦係数は、0.25以上が推奨されています。
写真５は、靴に取り付ける滑り止めストラップと靴への装着状態を示したもので、ゴムや塩化ビニール製の凸凹形状を有する滑り止めと靴に取り付けるポリプロピレン製ストラップ（ひも状のバンド）から構成されます。滑り止めの凸は、圧雪や氷面に接触し、凹部は水膜の排水機能を有します。ゴムの動摩擦係数は、0.4～0.6の範囲にあり、プラスチックの0.02～0.05より非常に大きく、滑り止めの効果は大きいとされています¹⁰⁾。

写真5 滑り止めストラップと靴への装着状態

(b)車タイヤの滑り現象とその防止策

冬季の路面に雪氷が存在する場合は、車輪が滑って危険な運転状態になります。
タイヤメーカーは、この雪氷道でもタイヤ（ゴムと高分子材の混合材料）と雪氷層の間の摩擦を大きくして滑らないような工夫をしたスタッドレスタイヤを開発しております。図18は、路面の雪氷層と発生した水膜そしてタイヤ表面の関係を示したものです。通常高速回転するタイヤ外周表面の摩擦熱などによる雪氷の融解に起因する水膜や疑似液体膜（水膜）の存在で水と氷結晶が混合した薄い層が発生して、その結果タイヤ外周との摩擦係数が小さくなり、タイヤのスリップや雪氷層へ伝える推進力が減少するようなります。
この水膜をタイヤ外周に設けた溝やスポンジ構造とすることで積極的に水分を吸収し、排出するよう工夫がされています。

図18 タイヤと路面上の雪氷の関係

(c)圧雪・氷板路面処理装置

圧雪・氷板路面用滑り止め材以外に、雪氷路面を粉砕する施工技術があります。
圧雪・氷板路面装置は、斜めに切断した形状の鋼製丸棒（ピック）を複数個、回転軸（エレメント）表面に装着し、これを路面に押し付けて回転することで、圧雪・氷板を粉砕処理する構造です。写真６は、圧雪路面を粉砕処理中の状態と圧雪路面の粉砕処理後の状態を示したものです。この粉砕処理した圧雪塊は排雪装置で取り除かれ、滑らない路面となります¹¹⁾。

写真６ 圧雪処理装置による粉砕処理と処理後の路面状態

(d)カーリング用靴の滑りと耐滑性機能

カーリングでは、カーリングストーンに力を加えて加速するために、履いている靴には滑り易さと氷面から反力を得る滑らない機能が必要となります。この両方の機能を満足させるには、写真７に示すように片方の靴底(スライダーと呼ぶ)は、摩擦係数の小さなプラスチック材を利用し、他方の靴（グリッパーと呼ぶ）は、摩擦係数の大きなゴム製カバーを履いた状態としています。このような両方の靴の機能で氷面上を自由に移動することが可能となります。

スライダー
（すべり面）

グリッパー
（滑り止め：スライダーに被せて使用）

写真７ カーリング用靴の外観