焼き物を科学する⑫：瓦の重みはなぜ必要？質量と振動吸収の材料科学（市川しょうこ／化学者）

1．瓦はなぜ重いのか？

日本瓦と聞いて多くの人が思い浮かべるのは、ずっしりとした重みと、しっかりと重なった美しい屋根の風景です。しかし、屋根材として「重い」ことは一見すると不利にも思えます。現代建築では軽量化が求められる中で、なぜ瓦は今もなお重さを保ち続けているのでしょうか。

その理由は、単なる素材の選択にとどまらず、日本の風土と気候、さらには建築思想の蓄積に根ざしています。重たい瓦には、重たいからこそ得られる合理的な利点があり、それが何世代にもわたって継承されてきたのです。本章では、まず「なぜ瓦は重いのか」という素朴な疑問に立ち返り、素材・構造・文化の3つの観点から、その背景にある科学を探っていきます。

2．重さの理由とその利点

瓦が重い理由は、重いことによる利点があるからです。

例えば、風圧です。台風や強風が頻発する日本では、屋根材にかかる風圧は無視できない設計要素です。屋根は構造物の中でも特に風を受けやすい場所であり、瓦屋根の重さはこの風圧に対抗するための「質量による安定性」として機能してきました。

例えば、軽量の金属屋根材やスレートは、強風時に浮き上がりやすく、飛散事故の原因となることもあります。それに対し、瓦は1枚1枚に重みがあるため、屋根全体として重心が下がり、外力に対する耐性が高まるのです。これはいわば「自然の力に重さで抗う」という伝統的な知恵であり、構造力学的にも合理的な選択といえます。

さらに、瓦が持つ重さは、屋根全体に均等な荷重をかけることで、建物の構造材に余計なストレスを与えないという利点もあります。耐風性と構造安定性を同時に満たす、重たい瓦ならではの設計思想がここに表れているのです。

もう一つの利点として、慣性があげられます。慣性とは、物体が現在の運動状態を維持しようとする性質のことです。外からの力が働かない限り、静止している物体は静止し続け、動いている物体は同じ速度と方向で動き続けようとします。車やバスが発進するときやブレーキをかけたとき、体が前に揺れる感じがするのも慣性の影響です。

このように質量を持つ物体は、外からの力に対して動きにくくなる性質、慣性を持ちます。この慣性により、強風だけでなく、振動や微細な揺れに対しても、重たい瓦は動じにくくなります。

例えば、強風による断続的な風圧や突風、あるいは振動を伴う突発的な外力が建物に加わった場合、軽い屋根材ではその影響がすぐに反応として現れ、構造体に負担をかけてしまいます。それに対し、重たい瓦はその場に留まる「慣性力」を発揮し、揺れや圧力の変化を受けにくくします。

このように、瓦の重さは建築物に対して“遅れた反応”を与えることで、衝撃のエネルギーを緩和する機能を担っているのです。古くから瓦屋根が地震国・日本で用いられてきた背景には、こうした素材の物理的特性が深く関係しています。

3．熱慣性：ゆっくり温まり、ゆっくり冷める

瓦の重さは、単に風圧や地震に対抗するためだけのものではありません。実は、瓦の“熱の扱い方”にも深く関わっています。たとえば熱慣性という性質です。

物質が熱を蓄える能力のことを熱容量といい、質量が大きく比熱が高いほど、より多くの熱を吸収・保持することができます。つまり、瓦は重いからこそ、一度温まると冷めにくく、ゆるやかに熱を放出してくれるのです。この性質は「熱慣性」と呼ばれ、建築物においては室内環境の安定化に寄与します。日中に太陽光で温められた瓦が夜間に放熱することで、外気温の変化を緩やかにし、屋内の快適性を高めてくれるのです。特に気温差の激しい地域では、このような蓄熱性が快適な住環境を維持するために重要な役割を果たします。

また、瓦の材質である粘土には空隙が多く、内部に気泡状の空間が残りやすいため、熱の伝わり方も穏やかです。この多孔質構造によって、瓦は断熱材的な性質も併せ持っています。さらに、釉薬の有無によって放射率（熱を外へ逃がす能力）も変わり、瓦の表面温度や放熱の仕方にも差が生まれます。例えば、釉薬瓦は反射率が高いため、太陽熱をある程度はじき返す効果も期待できます。

4．振動吸収材としての瓦の機能

瓦はただ重いだけではありません。その素材である粘土や陶土が持つ特有の構造が、振動吸収材としての役割を担っています。

特に注目すべきは、瓦が持つ多孔質構造です。瓦に使用される粘土は、焼成後にも微細な空隙を保っており、この空隙が振動の伝達を緩やかにし、音や揺れを吸収・拡散する働きを担っています。

振動が建物に伝わるとき、すべての部材が同じように共振すると、大きな損傷につながります。突風といった外部振動が加わった際、金属やガラスといった硬質材料はその衝撃をダイレクトに構造体へ伝えます。しかし、瓦のように質量があり、かつ振動の伝達が遅い素材が存在すると、揺れの波長やタイミングが分散され、共振の発生が抑えられるのです。

この現象は、建築物における「ダンパー効果」と類似しており、瓦屋根自体が振動緩衝材として機能していると見ることができます。ダンパー効果とは、外部からの振動エネルギーを吸収・減衰させ、衝撃や振動の振れ幅を小さくする効果のことです。瓦はそのものが振動を吸収する機能をもっています。

5．地震対策としての進化

伝統的な瓦の重さとその利点は数多くありますが、同時に「重さ」自体が時に構造への負担となる側面も否定できません。

重たい瓦は慣性により動きにくいため、小さな振動は吸収してくれます。一方で、地震のような大きな振動には、動きにくさがデメリットになり、落下や屋根全体の倒壊のリスクがありました。

そこで登場したのが、防災瓦や軽量瓦といった新たな進化系瓦です。

防災瓦は、瓦同士をかみ合わせる構造「ロック機構」によって、地震の揺れに耐える構造を持ちます。これにより、瓦がずれる・落ちるといったリスクが大幅に軽減されます。さらに軽量瓦では、素材の密度を下げたり、内部構造を中空化することで、重量を削減しつつも伝統的な外観を保っています。また、素材の見直しや設計の工夫によって、従来の瓦よりも軽量化された製品も多く登場しています。

このような技術革新によって、日本瓦は「重さの利点」を保ちつつ、「軽さのメリット」も取り込んでいるのです。建築基準法改正や耐震設計法の進展とともに、瓦もまた、未来に向けたアップデートを続けています。

6．伝統と現代の橋渡し

瓦の重さは、見た目や感触だけでは測りきれない意味を持っています。

古くは奈良時代から、瓦は日本建築の中で欠かせない存在でした。風、雨、熱、音、そして振動。自然のあらゆる力と向き合う中で、瓦の重さは「問題」ではなく「解決策」として機能してきたのです。

物理的な質量がもたらす構造安定、風圧への抵抗、慣性による揺れの緩和、振動吸収性といった利点に加え、断熱や遮音といった住環境への配慮まで、瓦は科学的にも極めて多機能な素材です。

そしてこの「重さ」は、単なる伝統の名残ではなく、現代の技術とも結びつきながら、より高機能な瓦へと進化しています。防災瓦や軽量瓦といった製品に見られるように、科学の視点から見直された瓦の価値は、次世代の建築にも受け継がれていくことでしょう。

市川しょうこ

化学者

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1992年愛知県出身。神戸大学工学研究科応用化学専攻修士。化学メーカーの化粧品・医療品の研究開発を経て、現在はヘルスケア系スタートアップ企業の取締役として分子認識化学を研究している。フィンランドの教科書を活用した認定NPO法人主催イベントでの小学生向けかがく実験教室や、文化庁メディア芸術クリエイター育成支援事業の支援を受けた科学×アートを融合したインスタレーション展示などを行い、人の創造性を探求するために活動している。