かまくらは、なぜ崩れないのでしょうか？

質問

先日かまくらを作って気になったのですが、かまくら(雪洞の方です)はなぜ崩れないのでしょう？
雪に穴を開けているのだから、崩れてもおかしくはないと思うんです。

調べてみると、実際に、きちんと固めないと崩れてきてしまうらしいです。
では、固めるとどうして崩れないのでしょう？
そもそも、『雪を固める』とは、どういうことなんですか？
雪の結晶同士が組合わさるということなのでしょうか？
だとすると、手で押しただけで、そこまでキツく圧縮できるものなのでしょうか？

また、アーチ構造やドーム構造といった言葉も聞きます。
しかし、どうもよく分かりません。
石への力の加わり方での説明などは分かりますが、しかし雪は石のような大きな固まりではなく、小さな結晶かと思います。
その小さい大きさでも同じなのでしょうか？

そして、壁や天井はどこまで薄くしても平気なんでしょうか？
作ったときは、とてもギリギリまで掘っても平気だったのですが、それらの役割が分からないので、どの程度まで掘っても平気なのかも気になります。

長文失礼しました。
できれば、物理学的な観点から、詳しく説明して頂けると嬉しいです。
ご存知の方、よろしくお願いします。

回答No.1

久保 泰臣（@omi3_） · ベストアンサー

1 雪は結晶が解けて氷粒になります。

2 微小（1mm以下）な面の圧力が強くなると溶けます。
　　すると、圧力が弱くなるのでその面が凍り、
　　氷粒どうしがくっ付き合います。

3 氷粒の間には空気が、数十%の割で含まれています。

ですので

>先日かまくらを作って気になったのですが、かまくら(雪洞の方です)はなぜ崩れないのでしょう？
氷粒の間の空気が抜けた分だけ潰れます。
たぶん、気温や地熱で溶ける方が多いでしょう。

>『雪を固める』とは、どういうことなんですか？
氷粒の間の空気を抜くことです。

>雪の結晶同士が組合わさるということなのでしょうか？
固まるような雪では、結晶はありません。

>また、アーチ構造やドーム構造といった言葉も聞きます。
前後左右のバランスが大切で、
片側に重さが集中すると、そこが潰れどんどん傾きます。

>そして、壁や天井はどこまで薄くしても平気なんでしょうか？
憶測ですが、本場のかまくらは屋根を壁以上に厚くしていると思われます。
薄くすれば、
仮に崩れても被害が少なくなるので吉です。
それでも、天井からは雫が限りなく落ちます。
屋根は発砲スチロール30板にすれば、
立姿で作業できるし、室内が広くなります。

>それらの役割が分からないので、どの程度まで掘っても平気なのかも気になります。
屋根を下がる量を棒を挿すなどして観測すれば、
何時崩れるか予想できるはずです。

余談ですが、
-20℃以下の雪は、手で握る程度の圧力ではくっ付き合いません。
雪だるまはできないのです。

春の立山にある10mの雪壁が壊れないのは、
氷粒どうしがくっ付き合っているからでしょうね。

私は九州育ち、研究者でもありません。
しかし、原理から推測すれば、形に理由がある事が判ります。

お礼

遅れてすみません
詳しく説明していただきありがとうございます。

全部について詳しく説明してあるので、ベストアンサーにさせていただきます

回答No.5

ORUKA1951

いえ、申し訳ないがその程度の圧力では溶けない。
氷の表面は融けている！ : 滑りやすさのメカニズム( http://eprints.lib.hokudai.ac.jp/dspace/bitstream/2115/43024/2/p054-057.pdf )
より引用すると・・
＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿ここから
圧力によって氷結晶の融点がどれだけ低下するかは，・【中略】・クラウジウス--クラペイロンの式・【中略】・で計算される．たとえば，体重60kgの人が長さ30cm幅1mmのスケートの刃にまっすぐに立っているとすると約20kg/cm²の圧力が氷にかかるが，これによる融点降下は0.17°Cに過ぎない．実際にスケートをするときの氷の温度は0°Cよりも大幅に低いので，仮にスケートのエッジに全体重がかかったにしても，氷が圧力融解を起こす可能性は小さい．すなわち，圧力融解によって氷の滑りやすさを説明できるのは，融点直下のきわめて狭い温度範囲に限定される．
　いっぽう，1940年ごろになると，スケートが滑ると摩擦が起こることに注目して圧力融解説に代わるものとして摩擦融解説が提案された
　この説の有効性を確かめるために，スケートの刃に熱電対を取り付けて実際に摩擦熱が発生するかどうかを確かめる実験が行われた．その結果，スケートの滑る速度が速くなると刃の温度も上昇することが示され，摩擦熱により氷の表面が融けて水膜が生じると
結論された．
　しかし，たとえば－35°Cの低温でもスケートは可能であるし，そもそもスケータが氷の上に静止して立っているだけで，氷は十分に滑りやすい．また，氷の融解の潜熱は非常に大きいので，擦効果によって氷が解けるには，非常に高速での摩擦が起こる必要がある．
　すなわち，これらの古典的モデルでは，きわめて限定された条件でしか氷の滑りやすさを説明することができない。
￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣ここまで
　雪だるまが作れることや雷雲での静電気の発生メカニズムは、圧力融解説でも摩擦融解説でも説明できないのです。

　⇒日経サイエンス 記事ダウンロード - 氷表面の謎を解く( http://www.nikkei-science.net/modules/flash/index.php?id=200004_052 )
　それより１０年近く前に別記事(雷関連)で、知りました。

お礼

なるほどです
詳しい説明ありがとうございます！

回答No.4

foomufoomu

No.2回答は、大きな圧力で押し付けると、氷は溶けるといっています。
No.1,No.3回答を否定している回答ではありません。
それに、それほど大きな圧力は必要ありません。

「復氷」で検索すると、実験などが見つかりますよ
http://site.ngk.co.jp/lab/no42/exam1.html

お礼

なるほど
全部あっているんですね
復氷ってすごい…!!
ありがとうございます

回答No.3

foomufoomu

＞また、アーチ構造やドーム構造といった言葉も聞きます。
かまくらは、アーチ構造ではありません、ドーム構造です。
アーチ構造は石造でよく使われる構造で、材料には圧縮力しかかりません。
が、ドーム構造は、ヘルメットのようなもので、材料には圧縮力、引っ張り力、せん断力などがかかります。しかし、それらは他の構造に比べて、たいへん小さなものですみます。(ビルなどの四角い骨組みに比べると1桁以上小さい)

＞そもそも、『雪を固める』とは、どういうことなんですか？
たぶん、雪の粒子(結晶)がくっつくのでしょう。
冷蔵庫の角氷を２つ、溶けないような低い温度の所で、ぎゅっと押し付けると、(温度が低いのに)押し付けた面が少し溶けます。そのあと力を抜くとすぐに溶けた水は凍りついて、角氷は一体になります。これと同じことが、雪の粒子間で起きていると思います。

お礼

なるほどです
詳しい説明ありがとうございます！

回答No.2

ORUKA1951

雪も水の固体の結晶--氷--です。
　圧力がかかると解ける!!!!は嘘です。ものすごい圧力をかければですが、それで解けるのではありません。スキーやスケートが滑る理由はそれでは説明できません。
　氷の表面は固体ではなく液体の状態です。零下数十度までは表面に液体があります。

　それか接すると、そこは表面ではなくなりますから凍ります。凍る時に熱を放出しますから隣は少し暖められます。そしてそれも凍る。

　しっかりつき固められた雪は、全体として固体として考えれば良いです。かまくら--圧雪ブロックのイグルー( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A4%E3%82%B0%E3%83%AB%E3%83%BC#.E5.9C.A7.E9.9B.AA.E3.83.96.E3.83.AD.E3.83.83.E3.82.AF.E3.81.AE.E3.82.A4.E3.82.B0.E3.83.AB.E3.83.BC )は、ドームと考えて良いでしょう。

お礼

なるほど
スケートも圧力が原因ではないのですね！
勘違いしてました…
ありがとうございます！