スポンジによる載荷・除荷にともなう変形復元実験
ここでは、スポンジによる載荷・除荷にともなう変形復元実験を試みてみました。
実験準備
ホームセンターなどでは、いろいろな売り場で、さまざまなスポンジを、それぞれの目的用で売っていて、普通に市販されているスポンジの種類は多いのですが、ここで用いたいような「柔らかいスポンジ」は、ほとんどありません。結局、スーパーで学童が水彩画を描くときに、水彩の筆やパレットの手入れ用に売っていた３枚１組のものが、最も柔らかかったので、これを用いることにしました。
ここでも、バネの実験で作った載荷台をそのまま使います。荷重はやはり単２の電池２個を使った実験をしてみますが、予備的に行ったところでは、変化がわずかなので、より重い荷重を用意したほうがよさそうだということがわかりました。そこで、水を満たしたビンを用意して、これを用いることにしました。具体的には、ドレッシングが入っていたビンを、使用後きれいに洗って乾燥させてから、水を入れて蓋をしたものを４本用意しました。
なお、圧力と縮み量の関係をみるために、ここでは、１０００グラムまで計れる料理用の秤（はかり）も準備し、荷重の乾電池と、水を満たしたと゛ンの重さを測定しておきました。
実験用の材料など一式（正面から）
実験用の材料など一式（斜め上から）
スポンジをきれいに重ねて、後で右側の載荷台をのせる
スポンジに載荷台をのせた状態（斜め上から）
実験＝載荷と除荷
スポンジに載荷台をのせた状態（正面）
・載荷実験（一回目）
荷重として、最初は、単２の乾電池２つを使いました。電池を載荷台に載せて、手をはなしてやります。すると、ほんのわずか沈み込んで、すぐとまったような気がしますが、変化が小さ過ぎて良くわかりません。
荷重を載せると、スポンジが縮んで、載荷台がかすかに下がつたようですが、変化が小さいので、ほとんどわかりません。
目盛り部分の拡大（約７．０ｃｍ）
・除荷実験(一回目)
この状態から、荷重の乾電池を取り去ってやります。すると、スポンジが伸びて、もとの状態にもどっているはずですが、ここでも、変化が小さ過ぎて良くわかりません。
荷重の乾電池を取り去った状態。
目盛り部分の拡大（約７．０ｃｍ）
・載荷実験（二回目）
荷重として、次は、もっと重い水を満たしたビン４本を使いました。ビンをバランスをくずさないように慎重に載荷台に載せていきます。４本ものせると、今度は、沈み込んでいるのが良くわかります。沈み込んだ状態を写真にとっておきます。
荷重を載せると、スポンジが縮んで、載荷台がしっかり下がる。
目盛り部分の拡大（約６．４ｃｍ）
・除荷実験（二回目）
この状態から、荷重のビンを２本だけ取り去ってやります。すると、スポンジがすみし伸びて、載荷台が少しだけ上がります。この状態も写真にとっておきます。
荷重のビンを２本だけ取り去った状態。
目盛り部分の拡大（約６．５ｃｍ）
この状態から、さらに残りの荷重のビンを２本も取り去って元にもどします。もちろん、載荷台はさらに少し上がります。
荷重のビンを全部取り去った状態。
目盛り部分の拡大（約７．０ｃｍ）
この実験から、スポンジは「バネ」＝「弾性体」として振る舞うことは明瞭です。さらに、手で押して、非常に柔らかいと感じるこのスポンジでも、変位量＝ひずみ量は、感覚的には小さいので、「スポンジ構造は、上に重量の大きなものを載せても、縮みはさほど大きくない」ように感じます。
・荷重増と歪量の計算
あまり主観的な感覚の話をしても意味がないので、実験に使ったスポンジがどれくらいの圧力増に対して、どれくらい縮んだかを計算してみます。なお、べき乗は、ホームページ作成の都合上、たとえば、２の２乗を、２＾２ といった表記にしてあります。
ビン４本の総重量−−−１４０５ｇ
載荷台の重量−−−− １１５ｇ
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合計 １５２０ｇ
スポンジの面積−−−９．６ｃｍ×９．６ｃｍ＝９２．１６ｃｍ＾２
スポンジにかかる圧力
載荷台のみのとき
１１５ｇf／９２．１６ｃｍ＾２＝ １．２５ｇf／ｃｍ＾２
載荷台とビン４本のせたとき
１５２０ｇf／９２．１６ｃｍ＾２＝１６．４９ｇf／ｃｍ＾２
スポンジと載荷台の厚さ
スポンジ３枚の合計の厚さ−−−−４．４ｃｍ
載荷台の厚さ−−−−−−−−２．７ｃｍ
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合計 ７．１ｃｍ
実測の縮み量は、
７．０ｃｍ−６．４ｃｍ＝０．６ｃｍ
です。７．０ｃｍは、載荷台のみのときの、載荷台上面の高さなので、
スポンジと載荷台の合計の厚さとの差は、載荷台の重みで縮んだ分です。
７．１ｃｍ−７．０ｃｍ＝０．１ｃｍ
載荷台のみのときの歪みは、
０．１ｃｍ／４．４ｃｍ ＝ ２．２７％
載荷台とビン４本のせたときの歪みは、
（０．１ｃｍ＋０．６ｃｍ）／４．４ｃｍ ＝１５．９１％
歪みの増加は、
１５．９１％ − ２．２７％ ＝ １３．６４％
圧力の増加は、
１６．４９ｇf／ｃｍ＾２−１．２５ｇf／ｃｍ＾２＝１５．２４ｇf／ｃｍ＾２
圧力増加１．０(ｇf／ｃｍ＾２)に対する歪み増加は、
１３．６４(％) ／ １５．２４(ｇf／ｃｍ＾２) ＝ ０．９０ （％・ｃｍ^２・(ｇf＾−１)）
ということになります。
このスポンジは、荷重が平方センチ当たり１ｇ増えると、約１％弱、歪みが増す（＝縮む）ということです。
・「圧力増加に対する歪み増加」の意味
この数字の意味は次の例え話で理解していただけると思います。
仮定の話ですが、このスポンジで１ｍ×１ｍ×１ｍの大きさのスポンジ塊を作って、その上に１ｍ×１ｍの大きさの適当な固さ、適当な厚みの、板を敷いて置くとします。そして、単に板を敷いた状態と、その上に体重１００ｋｇの人に乗ってもらったときの状態を比べると、
１００ｋｇ ＝ １．０×１０＾２ ｋｇ ＝ １．０×１０＾５ ｇ
１ｍ×１ｍ ＝ １００ｃｍ×１００ｃｍ ＝１．０×１０＾４ ｃｍ＾２
圧力の増加は、
１．０×１０＾５ ｇf ／ １．０×１０＾４ ｃｍ＾２ ＝ １．０×１０＾１ ｇf／ｃｍ＾２
なので、歪みの増加は、
１．０×１０＾１ ｇf／ｃｍ＾２ × ０．９０ （％・ｃｍ^２・(ｇf＾−１)） ＝ ９．０％
と計算されます。
だから、１００ｋｇの体重の人が乗ったとき、このスポンジ塊は、１ｍの９％、つまり９ｃｍ沈む(縮む)
という計算になります。多分に感じ方の問題ではありますが、これは、私には「スポンジ構造は、上に重量の大きなものを載せても、縮みはさほど大きくないように感じられる」変位の大きさです。