立教大学（東京都豊島区、総長：西原廉太）の村田次郎理学部教授は、カーリング競技で用いられるカーリング石が「反時計回りに回転させると、進行方向に向かって左側に曲がっていくのはなぜか」という、98年間にわたって科学者の間で真っ向から対立する仮説に基づく議論が繰り広げられてきた「世紀の謎」を、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ました。
私たちの4次元時空を超える5次元以上の「余剰次元」の探索実験の為に開発した画像処理型変位計測技術を応用する事で、ミクロン精度でカーリング石の運動を精密観測した結果、中心からずれた点での摩擦支点を中心に石の重心が振られる、旋廻現象によって偏向が起きる事、そして速さが遅いほど摩擦が強まるという、通常は一定と考える動摩擦係数が実際には速度依存性を持つ性質により、氷に対する速さが異なる左側と右側とで、非対称な頻度で旋廻が生じると考える事が偏向の原因として最も合理的である事をデータに基づいて明らかにしました。
この研究成果はSpringer-Nature社のScientific Reports誌に9月3日付で掲載されました。
https://www.rikkyo.ac.jp/news/2022/09/mknpps0000020uo9-img/mknpps0000020urq.jpg;
https://www.rikkyo.ac.jp/news/2022/09/mknpps0000020uo9-img/mknpps0000020urq.jpg;
https://www.rikkyo.ac.jp/news/2022/09/mknpps0000020uo9-img/mknpps0000020us9.jpg;
https://www.rikkyo.ac.jp/news/2022/09/mknpps0000020uo9-img/mknpps0000020uss.jpg;
冬季オリンピックのカーリング競技を見ていて、曲がる方向に違和感をもつ人が少なくないのではないでしょうか。これは、氷と石が一番擦れる部分が進行方向の前側だと思うと、反時計回り回転の石は反作用としての摩擦力を受けて右側に曲がっていくはずだと直観的には予想する事からくる違和感です（図1）。
この謎は早くも1924年には学術誌で問題提起され、以来、様々な仮説を巡ってNature誌上等で激しい議論が交わされてきた世紀の謎なのです。最初に提案されたのが「左右非対称説」で、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ものです（図2）。
速い方が摩擦熱で氷が溶けて摩擦が弱まるからです。これに対し、実際のカーリング石は下面に作られた細いリング状の接触面で氷と接しますが、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」、そして石の下面の突起が氷面に引っかかって振られる「旋廻説」（図3）など、お互いに正面から矛盾する様々な仮説が乱立してきました。
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拘らず、これほど解明が難航してきた理由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為であると考えられます。
本研究では村田教授が立教大学で進めている、4次元以上の高次元空間を探す目的のもとミクロンスケールで万有引力の法則を検証する実験の為に開発した、画像処理型変位計という特許技術を応用してカーリング石の振る舞いを世界で初めてミクロン単位で計測しました。データに基づく議論を行う為です。観測は軽井沢アイスパークの協力で、1998年の長野オリンピックの会場を利用して行いました。
用いた機器はコンパクトデジカメと三脚のみというシンプルな計測ながら、村田教授が一人で投げて観測した122回のショット全ての運動の精密データを得る事に成功しました。その結果カーリング石の下面が、氷と歯車の様に嚙み合って旋廻する現象等が観測され、また、速さが遅く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する事が出来、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事を明らかにしました。
これらの発見により、動摩擦係数の速度依存性により、左右非対称に旋廻の中心が形成される事がこの謎の答えと考える事が最も合理的である事が実験的に判明しました。
また、旋廻中心の位置の分布を調べる事により、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事も確認できました。
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、角運動量が保存している事も確認し、正しく物理現象を観測したという信憑性が高い事も確認出来ました。
https://www.rikkyo.ac.jp/news/2022/09/mknpps0000020uo9.html
