Consider the lifeguard.

ライフガードについて考えてみよう。

There aren't that many recreational activities in our lives that have explicit staff whose only job is to keep an eye on us, make sure we stay safe, and rescue us if we get into trouble.

私たちの生活の中で、私たちから目を離さず、安全を確保し、トラブルに巻き込まれたら救助することだけを仕事とする明確なスタッフがいるレクリエーション活動はそれほど多くない。

There are just a lot of hazards on the beach.

ビーチには危険がたくさんある。

Heavy waves, rip currents, heat stress, sunburn, jellyfish stings, sharks, and even algae can threaten the safety of beach goers.

大波、離岸流、熱ストレス、日焼け、クラゲの刺し傷、サメ、そして藻類でさえ、ビーチに行く人の安全を脅かす可能性がある。

But there's a whole other hazard, this one usually self-inflicted, that doesn't make the list of warnings, even though it takes, on average, two to three lives per year just in the United States.

しかし、別の危険もある。これは通常、自業自得なのだが、米国内だけでも年間平均2～3人の命を奪っているにもかかわらず、警告のリストには入っていない。

If you know me, you know I would never discourage the act of playing with soil and sand.

私のことを知っている人なら、私が土や砂で遊ぶ行為を決して勧めないことを知っているだろう。

It's basically what I was put on this earth to do.

それは基本的に、私がこの世に生を受けた目的なんだ。

But I do have one exception.

だが、一つだけ例外がある。

Because just about every year, the news reports that someone was buried when a hole they dug collapsed on top of them.

毎年のように、誰かが掘った穴が崩れて埋まったというニュースが報道されるからだ。

There's no central database of sand hole collapse incidents, but from the numbers we do have, about twice as many people die this way than from shark attacks in the US.

砂穴の崩落事故に関する中央データベースはないが、私たちが把握している数字からすると、アメリカではサメによる死者の約2倍がこの方法で亡くなっている。

It might seem like common sense not to dig a big, unsupported hole at the beach and then go inside it, but sand has some really interesting geotechnical properties that can provide a false sense of security.

海辺で支えのない大きな穴を掘って、その中に入らないのは常識のように思えるかもしれないが、砂には実に興味深い地質学的特性があり、それが誤った安心感を与えることがある。

So let's use some engineering and garage demonstrations to explain why.

では、その理由をエンジニアリングとガレージのデモンストレーションで説明しよう。

I'm Grady and this is Practical Engineering.

私はグラディで、こちらはプラクティカル・エンジニアリングだ。

In some ways, geotechnical engineering might as well be called slope engineering because it's a huge part of what they do.

ある意味では、地盤工学は斜面工学と呼ばれてもおかしくない。

So many aspects of our built environment rely on the stability of sloped earth.

私たちの建築環境の多くの側面は、傾斜した土の安定性に依存している。

Many dams are built from soil or rock fill using embankments.

多くのダムは、堤防を使って土や岩を盛って造られる。

Roads, highways, and bridges rely on embankments to ascend or descend smoothly.

道路、高速道路、橋は、スムーズに上り下りするために堤防に依存している。

Excavations for foundations, tunnels, and other structures have to be stable for the people working inside.

基礎やトンネル、その他の構造物の掘削は、中で作業する人々のために安定していなければならない。

Mines carefully monitor slopes to make sure their workers are safe.

鉱山は労働者の安全を確保するため、斜面を注意深く監視している。

Even protecting against natural hazards like landslides requires a strong understanding of geotechnical engineering.

土砂崩れのような自然災害から身を守るにも、地盤工学をしっかりと理解する必要がある。

Because of all that, the science of slope stability is really deeply understood.

そのため、斜面の安定性に関する科学は実に深く理解されている。

There's a well-developed professional consensus around the science of soil, how it behaves, and how to design around its limitations as a construction material.

土の科学、土の挙動、建設材料としての土の限界を回避する設計方法については、専門家のコンセンサスが十分に得られている。

And I think a peek into that world will really help us understand this hazard of digging holes on the beach.

そして、その世界を覗き見ることは、ビーチで穴を掘るというこの危険を理解する上で本当に役に立つと思う。

Like many parts of engineering, analyzing the stability of a slope has two basic parts, the strength and the loads.

工学の多くの部分がそうであるように、斜面の安定性を分析するには、強度と荷重という2つの基本的な部分がある。

The job of a geotechnical engineer is to compare the two.

地質工学エンジニアの仕事は、この2つを比較することである。

The load, in this case, is kind of obvious.

この場合、負荷は明白だ。

It's just the weight of the soil itself.

土そのものの重さだ。

We can complicate that a bit by adding loads at the top of a slope called surcharges.

サーチャージと呼ばれる勾配上部の荷重を加えることで、これを少し複雑にすることができる。

And no doubt, surcharged loads have contributed to at least a few of these dangerous collapses from people standing at the edge of a hole.

そして、穴の縁に立っている人たちによる危険な倒壊の少なくとも何件かは、間違いなく過積載が原因となっている。

But for now, let's keep it simple with just the soil's own weight.

しかし、今は土の自重だけでシンプルに考えよう。

On a flat surface, soils are generally stable.

平らな面では、土壌は一般的に安定している。

But when you introduce a slope, the weight of the soil above can create a shear failure.

しかし、斜面を導入すると、上の土の重さによってせん断破壊が生じる可能性がある。

These failures often happen along a circular arc because an arc minimizes the resisting forces in the soil while maximizing the driving forces.

円弧は土の抵抗力を最小にする一方で駆動力を最大にするため、このような破壊は円弧に沿って起こることが多い。

We can manually solve for the shear forces at any point in a soil mass, but that would be a fairly tedious engineering exercise, so most slope stability analyses use software.

土塊のどの点におけるせん断力についても手作業で解くことはできるが、それはかなり面倒な工学的作業となるため、ほとんどの斜面の安定解析ではソフトウェアを使用する。

One of the simplest methods is just to let the software draw hundreds of circular arcs that represent failure planes, compute the stresses along each plane based on the weight of the soil, and then figure out if the strength of the soil is enough to withstand the stress.

最も単純な方法のひとつは、ソフトウェアに破壊面を表す何百もの円弧を描かせ、土の重量に基づいて各面に沿った応力を計算し、土の強度が応力に耐えられるかどうかを割り出すというものだ。

But what does it really mean for a soil to have strength?

しかし、土壌が強さを持つということの本当の意味は何だろうか？

If you can imagine a sample of soil floating in space and you apply a shear stress, those particles are going to slide apart from each other in the direction of the stress.

宇宙空間に浮かぶ土のサンプルを想像して、せん断応力をかけると、その粒子は応力の方向に互いに離れて滑ることになる。

The amount of force required to do it is usually expressed as an angle, and I can show you why.

そのために必要な力の大きさは、通常角度で表される。

You may have done this simple experiment in high school physics where you drag a block along a flat surface and measure the force required to overcome the friction.

高校の物理で、平らな面にブロックを引きずり、摩擦に打ち勝つのに必要な力を測るという簡単な実験をしたことがあるかもしれない。

If you add weight, you increase the force between the surfaces, called the normal force, which creates additional friction.

重量を加えれば、法線力と呼ばれる表面間の力が増し、摩擦がさらに生じる。

The same is true with soils.

土壌についても同じことが言える。

The harder you press the particles of soil together, the better they are at resisting a shear force.

土の粒子を強く押し固めれば固めるほど、せん断力に対する抵抗力が増す。

In a simplified force diagram, we can draw a normal force and the resulting friction, or shear strength, that results.

単純化した力図では、法線力とその結果として生じる摩擦、つまりせん断強度を描くことができる。

And the angle that hypotenuse makes with the normal force is what we call the friction angle.

そして、その斜辺が法線力となす角度が摩擦角と呼ばれるものだ。

Under certain conditions, it's equal to the angle of repose, the steepest angle that a soil will naturally stand.

ある条件下では、安息角（土壌が自然に立つ最も急な角度）に等しい。

If I let sand pour out of this funnel onto the table, you can see, even as the pile gets higher, the angle of the slope of the sides never really changes.

この漏斗からテーブルの上に砂を流してみると、山が高くなっても、側面の傾斜の角度が変わらないのがわかる。

And this illustrates the complexity of slope stability really nicely.

これは斜面の安定性の複雑さをよく表している。

Gravity is what holds the particles together, creating friction, but it's also what pulls them apart.

重力は粒子をつなぎとめ、摩擦を生み出すが、同時に粒子を引き離すものでもある。

And the angle of repose is kind of a line between gravity's stabilizing and destabilizing effects on the soil.

安息角は、重力が土壌を安定させる作用と不安定にする作用の境界線のようなものだ。

But things get more complicated when you add water to the mix.

しかし、水を加えると事態はさらに複雑になる。

Soil particles, like all things that take up space, have buoyancy.

土の粒子は、空間を占めるすべてのものと同様、浮力を持っている。

Just like lifting a weight underwater is easier, soil particles seem to weigh less when they're saturated, so they have less friction between them.

水中で重りを持ち上げるのが簡単なように、土の粒子も飽和状態だと重さが軽くなり、粒子間の摩擦が少なくなる。

I can demonstrate this pretty easily by just moving my angle of repose setup to a water tank.

このことは、安息角の設定を水槽に移すだけで簡単に実証できる。

It's a subtle difference, but the angle of repose has gone down underwater.

微妙な違いだが、水中ではレポーズの角度が下がっている。

It's just because the particle's effective weight goes down, so the shear strength of the soil mass goes down too.

粒子の有効重量が下がるので、土塊のせん断強度も下がるからだ。

And this doesn't just happen under lakes and oceans.

そして、これは湖や海の下だけに起こることではない。

Soil holds water.

土は水を保持する。

I've covered a lot of topics on groundwater if you want to learn more.

もっと知りたければ、私は地下水について多くのトピックを取り上げてきた。

There's this concept of the water table, below which the soils are saturated.

水位という概念があり、それ以下の土壌は飽和状態にある。

And they behave in the same way as my little demonstration.

そして、彼らは私の小さなデモンストレーションと同じように振る舞う。

The water between the particles, called pore water, exerts pressure, pushing them away from one another and reducing the friction between them.

間隙水と呼ばれる粒子間の水が圧力をかけ、粒子同士を押しやり、粒子間の摩擦を減らす。

Shear strength usually goes down for saturated soils.

せん断強度は通常、飽和土壌では低下する。

But if you've played with sand, you might be thinking, this doesn't really track with my intuitions.

しかし、砂遊びをしたことがある人なら、これは私の直感と一致しないと思うかもしれない。

When you build a sandcastle, you know, the dry sand falls apart and the wet sand holds together.

砂の城を作るとき、乾いた砂はバラバラになり、濡れた砂はまとまるんだ。

So let's dive a little deeper.

では、もう少し深く潜ってみよう。

Friction actually isn't the only factor that contributes to shear strength in a soil.

土のせん断強度を高める要因は、実は摩擦だけではない。

For example, I can try to shear this clay and there's some resistance there, even though there's no confining force pushing the particles together.

例えば、この粘土を剪断しようとすると、粒子を押し固める力がないにもかかわらず、多少の抵抗がある。

In finer-grained soils like clay, the particles themselves have molecular-level attractions that make them basically sticky.

粘土のように粒子が細かい土壌では、粒子自体に分子レベルの吸着力があり、基本的に粘着性がある。

Geotechnical engineers call this cohesion.

地盤工学エンジニアはこれを凝集力と呼ぶ。

And it's where sand gets a little sneaky.

そして、砂が少し卑劣になるところだ。

Water pressure in the pores between particles can push them away from each other, but it can also do the opposite.

粒子と粒子の間にある孔の水圧は、粒子同士を遠ざけることもできるが、その反対もできる。

In this demo, I have some dry sand in a container with a riser pipe to show the water table connected to the side.

このデモでは、容器に乾燥した砂を入れ、ライザーパイプで水位を示している。

And I've dyed my water black to make it easier to see.

そして、見やすくするために水を黒く染めた。

When I pour the water into the riser, what do you think's going to happen?

ライザーに水を注いだらどうなると思う？

Will the water table in the soil be higher, lower, or exactly the same as the level in the riser?

土壌の水位は、ライザー内の水位より高いのか、低いのか、あるいは全く同じなのか？

Let's try it out.

試してみよう。

Pretty much right away, you can see what happens.

すぐに、何が起こるかわかるだろう。

The sand essentially sucks the water out of the riser, lifting it higher than the level outside the sand.

砂は本質的にライザーから水を吸い上げ、砂の外のレベルよりも高く持ち上げる。

If I let this settle out for a while, you can see there's a pretty big difference in levels.

これをしばらく落ち着かせると、かなり大きなレベルの違いがあるのがわかる。

And this is largely due to capillary action.

これは毛細管現象によるところが大きい。

Just like a paper towel, water wicks up into the sand against the force of gravity.

ペーパータオルと同じように、水は重力に逆らって砂の中に吸い上げられる。

This capillary action actually creates negative pressure within the soil, compared to the ambient air pressure.

この毛細管現象によって、土壌内には周囲の気圧よりも高い負圧が発生する。

In other words, it pulls the particles against each other, increasing the strength of the soil.

言い換えれば、粒子を互いに引っ張り合い、土の強度を高めるのだ。

It basically gives the sand cohesion, additional shear strength that doesn't require any confining pressure.

これは基本的に砂に凝集力を与え、拘束圧を必要としない追加のせん断強度を与える。

And again, if you've played with sand, you know there's a sweet spot when it comes to water.

また、砂遊びをしたことがある人なら、水に関してはスイートスポットがあることを知っているだろう。

Too dry, and it won't hold together.

乾燥しすぎると、まとまらなくなる。

Too wet, same thing.

濡れすぎても同じだ。

But if there's just enough water, you get this strengthening effect.

しかし、水分が十分であれば、このような強化効果が得られる。

However, unlike clay that has real cohesion, that suction pressure can be temporary.

しかし、本当の凝集力を持つ粘土とは異なり、その吸引力は一時的なものだ。

And it's not the only factor that makes sand tricky.

砂を厄介にする要因はそれだけではない。

The shear strength of sand also depends on how well-packed those particles are.

砂の剪断強度は、粒子がどれだけ詰まっているかにも左右される。

Beach sand is usually well-consolidated because of the constant crashing waves.

ビーチの砂は常に波が打ち寄せているため、通常はよく固まっている。

Let's zoom in on that a bit.

少し拡大してみよう。

If the particles are packed tight, they essentially lock together.

粒子がぎっしり詰まっていれば、基本的にロックされる。

You can see that to shear them apart doesn't just look like sliding motion, but also a slight expansion in volume.

剪断することで、単に滑るように動くだけでなく、体積がわずかに膨張しているのがわかるだろう。

Engineers call this dilatancy.

エンジニアはこれをダイラタンシーと呼ぶ。

And you don't need a microscope to see it.

それを見るのに顕微鏡は必要ない。

In fact, you probably notice this walking around on the beach, especially when the water table is close to the surface.

実際、浜辺を歩いていると、特に水面が水面に近いときにこのことに気づくだろう。

Even a small amount of movement causes the sand to expand.

わずかな動きでも砂は膨張する。

And it's easy to see like this because it expands above the surface of the water.

そして、水面上に膨らむので、このように簡単に見ることができる。

The practical result of this dilatant property is that sand gets stronger as it moves, but only up to a point.

このダイラタント特性の実際の結果は、砂は移動するにつれて強くなるが、それはある点までである。

Once the sand expands enough that the particles are no longer interlocked together, there's a lot less friction between them.

砂が十分に膨張して粒子同士のかみ合わせがなくなれば、粒子間の摩擦はかなり少なくなる。

If you plot movement called strain against shear strength, you get a peak and then a sudden loss of strength.

せん断強度に対してひずみと呼ばれる動きをプロットすると、ピークがあり、その後急激に強度が低下する。

Hopefully you're starting to see how all this material science adds up to a real problem.

この材料科学がいかに現実的な問題につながるか、おわかりいただけただろうか。

The shear strength of a soil, basically its ability to avoid collapse, is not an inherent property.

地盤のせん断強度（基本的に崩壊を回避する能力）は、固有の性質ではない。

It depends on a lot of factors.

多くの要因による。

It can change pretty quickly.

すぐに変わることもある。

And this behavior is not really intuitive.

そして、この振る舞いは直感的なものではない。

Most of us don't have a ton of experience with excavations.

私たちのほとんどは、発掘調査の経験があまりない。

That's part of the reason it's so fun to go on the beach and dig a hole in the first place.

そもそもビーチに行って穴を掘るのが楽しいのは、そういう理由もある。

We just don't get to excavate that much in our everyday lives.

普段の生活では、それほど発掘する機会はない。

So, at least for a lot of us, it's just a natural instinct to do some recreational digging.

だから、少なくとも私たちの多くにとっては、レクリエーションとして掘るのは自然な本能なんだ。

You excavate a small hole.

小さな穴を掘る。

It's fun.

楽しいよ。

It's interesting.

興味深いことだ。

The wet sand is holding up around the edges, so you dig deeper.

濡れた砂が縁を支えているので、もっと深く掘る。

Some people give up after the novelty wears off.

目新しさがなくなると諦めてしまう人もいる。

Some get their friends or their kids involved to keep going.

友人や子供たちを巻き込んで続ける人もいる。

Eventually, the hole gets big enough that you have to get inside to keep digging.

やがて穴は大きくなり、掘り続けるためには中に入らなければならなくなる。

With the suction pressure from the water and the shear strengthening through dilatancy, the walls have been holding the entire time.

水からの吸引圧とダイラタンシーによるせん断強化で、壁はずっと持ちこたえ続けている。

So, there's no reason to assume that they won't just keep holding.

だから、このままホールドし続けることはないだろう。

But inside the surrounding sand, things are changing.

しかし、周囲の砂の中では状況が変わりつつある。

Sand is permeable to water, meaning water moves through it pretty freely.

砂は透水性があり、水は砂の中を自由に移動する。

It doesn't take a big change to upset that delicate balance of wetness that gives sand its stability.

砂に安定性を与えている湿り気の微妙なバランスを崩すのに大きな変化は必要ない。

The tide could be going out, lowering the water table and thus drying the soil at the surface out.

潮が引いて水位が下がり、地表の土が乾いているのかもしれない。

Alternatively, a wave or the tide could add water to the surface sand, reducing the suction pressure.

あるいは、波や潮が表面の砂に水を加え、吸引力を弱めることもある。

At the same time, tiny movements within the slopes are strengthening the sand as it tries to dilate in volume.

同時に、斜面内の小さな動きが砂を強化し、体積を拡大させようとしている。

But each little movement pushes toward that peak strength, after which it suddenly goes away.

しかし、その小さな動きのひとつひとつが、強さのピークに向かって突き進んでいく。

We call this a brittle failure because there's little deformation to warn you that there's going to be a collapse.

私たちはこれを脆性的破壊と呼んでいるが、これは崩壊を警告する変形がほとんどないからだ。

It happens suddenly, and if you happen to be inside a deep hole when it does, you might be just fine, like our little friend here.

それは突然起こるもので、そのときたまたま深い穴の中にいたとしても、この小さな友人のように大丈夫かもしれない。

But if a bigger section of the wall collapses, your chance of surviving is slim.

しかし、壁の大きな部分が崩れ落ちれば、助かる可能性は低くなる。

Soil is heavy.

土は重い。

Sand has about two and a half times the density of water.

砂の密度は水の約2.5倍。

It just doesn't take that much of it to trap a person.

人を罠にかけるには、それほど多くの量を必要としないんだ。

This is not just something that happens to people on vacations, by the way, collapsing trenches and excavations are one of the most common causes of fatal construction incidents.

ちなみに、トレンチや掘削部分の崩落は、死亡事故が発生する最も一般的な原因のひとつである。

In fact, if you live in a country with workplace health and safety laws, it's pretty much guaranteed that within those laws are rules about working in trenches and excavations.

実際、労働安全衛生法がある国に住んでいれば、その法律の中にトレンチや掘削での作業に関する規則があることはほぼ間違いない。

In the US, OSHA has a detailed set of guidelines on how to stay safe when working at the bottom of a hole, including how steep slopes can be depending on the types of soil and the And for certain circumstances where the risks get high enough or the excavation doesn't fit neatly into these simplified categories, they require a professional engineer be involved.

米国では、OSHAが穴の底で作業する際の安全確保のためのガイドラインを詳細に定めており、土壌の種類によってどの程度の急勾配が可能か、また、リスクが十分に高い場合や掘削がこれらの単純化されたカテゴリーにうまく当てはまらない場合は、専門技術者の関与を義務付けている。

So does all this mean that anyone who's not an engineer just shouldn't dig holes at the beach?

ということは、エンジニアでない人はビーチで穴を掘ってはいけないということだろうか？

If you know me, you know I would never agree with that.

私のことを知っている人なら、私がそれに同意するはずがないことを知っているだろう。

I don't want to come off too earnest here, but we learn through interaction.

あまり生真面目なことを言いたくはないが、私たちは交流を通して学んでいくものだ。

Soil and rock mechanics are incredibly important to every part of the built environment, and I think everyone should have a chance to play with sand, to get muddy and dirty, to engage and connect and commune with the stuff on which everything gets built.

土や岩の力学は、建築環境のあらゆる部分にとって信じられないほど重要であり、私は誰もが砂と戯れ、泥まみれになって汚れ、あらゆるものが築かれる土台となるものに関わり、つながり、交わる機会を持つべきだと思う。

So by all means, dig holes at the beach.

だからぜひ、ビーチで穴を掘ってほしい。

Just don't dig them so deep.

ただ、そんなに深く掘る必要はない。

The typical recommendation I see is to avoid going in a hole deeper than your knees.

私が目にする典型的な推奨は、膝より深い穴には入らないことだ。

That's pretty conservative.

かなり保守的だ。

If you have kids with you, it's really not much at all.

子供が一緒なら、本当に大したことはない。

If you want to follow OSHA guidelines, you can go a little bigger, up to 20 feet or 6 meters in depth, as long as you slope the sides of your hole by 1.5 to 1, or about 34 degrees above horizontal.

OSHAのガイドラインに従いたければ、穴の側面を1.5対1、つまり水平より約34度傾斜させれば、深さ20フィート（6メートル）まで、少し大きくすることができる。

You know, ultimately you have to decide what's safe for you and your family.

最終的には、自分や家族にとって何が安全かを決めなければならないんだ。

My point is that this doesn't have to be a hazard if you use a little engineering prudence, and I hope understanding some of the sneaky behaviors of beach sand can help you delight in the primitive joy of digging a big hole without putting your life at risk in the process.

私が言いたいのは、ちょっとした工学的思慮を働かせれば、これは危険なことではないということである。浜辺の砂の卑劣な振る舞いのいくつかを理解することで、大きな穴を掘るという原始的な喜びを、命を危険にさらすことなく味わうことができることを願っている。

I was impressed to learn that the training for many lifeguards and emergency responders now includes ways to safely and quickly excavate a victim from a collapsed sand hole.

多くのライフガードや救急隊員の訓練に、崩壊した砂穴から被害者を安全かつ迅速に掘り出す方法が含まれるようになったことを知り、私は感銘を受けた。

The general procedure is to form two rings of responders around the collapse, moving sand outward from the center.

一般的な手順は、崩落の周囲に2つの輪を作り、中心から外側に砂を移動させる。

There's a lot of complexity in rescuing people from unusual situations, and actually, my friend Sam at Wendover Productions produced a video all about the logistics of search and rescue.

実際、私の友人であるウェンドオーバー・プロダクションのサムは、捜索救助のロジスティクスについてのビデオを制作した。

This is part of the Logistics of X series that dives into the little details of systems that you never considered before.

ロジスティクス・オブ・X」シリーズの一環として、これまで考えもしなかったようなシステムの細部にまで踏み込んでいく。

It's a really fascinating peek behind the curtains, and if you want to check it out, it's only available on Nebula.

カーテンの裏側を覗き見るような、本当に魅力的な作品だ。

You've heard me talk about Nebula before.

私がネビュラについて話すのを聞いたことがあるだろう。

It's a streaming service built by and for independent creators, including a lot of my favorites like NEO, Wendover Productions, The Coding Train, and Branch Education.