科学が紐解く、日本刀の強さの秘密：「曲がらず」の解明

　本研究は，日本刀の刀身の曲げ強さに注目した研究となり，主な分析対象は刀身の形状（姿）と曲げに対する強さの関係となります。日本刀の様に細く長い物体は形状的にとても弱いため，曲がりやすく，そして折れやすいです。日本刀の性質は「折れず・曲がらず・よく斬れる」と評されますが，実は「折れず・曲がらず」の対極にある形状が日本刀です。加えて，後述する素材となる鋼の特性の観点からも「折れず・曲がらず（よく斬れる）」は同時には実現できないはずの特性です。では，どの様にして日本刀は「折れず・曲がらず・よく斬れる」を実現しているのでしょうか？本研究では，この「曲がらず」について，コンピュータ内で日本刀を仮想的に再現し（シミュレーション），日本刀の強さの秘密に迫りたいと考えています。

 

刀身の曲がりやすさの簡易分析

　刀身の曲がりやすさを簡単に分析するため，日本刀の寸法に近い細長い物体に対して長さ，厚さ，幅が変わることによって，どの位曲がりやすくなるかをパソコンを用いたシミュレーションで簡易的に分析しました。分析には，Autodesk製Fusion 360のFEM機能を用いています。

 

　下図は，今回のシミュレーションで分析した物体の形状を示しています。長さは刃長，厚さは重ね，幅は身幅に対応しており，先端に約10kg（100N）の力を掛けた時の状態を分析しています。力の掛け方は，斬るを想定したものと側面（鎬側）で受けたときの2通りで分析しています。物体の強さは，日本刀の鎬や棟を想定した粘り強い状態とし（降伏応力572MPa，引張強さ696MPa），物体内部の強さは全て一緒となります。

 

 簡易シミュレーションで用いた物体の形状。寸法は日本刀に近いものとしています。

 

物体への力の掛け方。先端に約10kg（100N）の力を掛けました。

 

物体の曲がりやすさ

　分析の一例として，刃長700mm，身幅30mmの時に重ねを5mm，6mm，8mmにしたときの物体の変形図を示します。この図は色で物体内部に生じる負荷を示しており，青→緑→赤になるほど負荷が大きくなります。力は物体の先端に掛けていますが，物体内部で最も負荷が掛かるのは固定している部位との境界付近となります。斬るを模擬した場合，重ねが5mmだとしても上向きに生じる反りは僅かです。一方で，側面に力を掛けた場合は刀身は大きく反り，重ねが減少するに伴って反りは急激に増加しています。実際の日本刀は刃と棟側は薄くなっていますので，もっと曲がりやすくなると思われます。さらに，日本刀へと鍛え上げられた鋼は硬質なため，ここまで反ることなく折れてしまうでしょう。

 

厚さ（重ね）が5，6，8mmの時の変形の様子。上向きの力で生じる変形（反り）は僅かですが，横向きの力では大きく変形し，重ねが1mm異なるだけで反りは大きく変化します。

 

 

物体の形状の変化と曲げ強さ

　その他，刃長700mm，身幅30mm，重ね6mmを基準として，各寸法を変えた場合の分析結果をグラフに示します。

内部に生じる負荷（力）の大きさ

　左側の図は先端に10kgの力を掛けた時に物体内部に生じた最大の力となります。最大の生じた場所は固定をしていた茎を模擬した部分と変形した部分の境界となります。斬るを模擬した力で生じた内部の力は約200MPa強となり，この程度の力であれば硬質化した鋼は壊れることはありません（200MPaは1平方ミリメートルあたりに約20kgの力が加わった状態です）。しかし，側面に力を掛けた時に材料内部に生じる力はその3倍程度の700MPaとなり，この大きさならば鋼の状態によっては壊れる可能性があります。

反りの大きさ

　右側の図は，力を掛けた先端がどの程度反ったかを示しています。斬るで生じる変形は僅か数mmと小さいですが，側面で力を受けたときは刀身は大きく反っています。この結果は，「日本刀は横からの力に弱く，実は曲がりやすい」という指摘によく対応しているのではと思います。さらに，硬質化した鋼の場合，ここまで大きな変形が生じず，壊れる（折れる）可能性があります。

形状の変化

　形状の変化に注目すると，身幅と重ねの寸法が僅かに変わるだけで内部に生じる力や変形は大きく変化しており，日本刀を模したこの物体の強さ（曲がりにくさ）が大きく変化することがわかります。特に重ね（厚さ）が僅か1mm変わるだけで，強さが大きく変化しています。重ねを厚くすることが刀身の強さ向上に効果的なのかもしれませんが，重ねだけを厚くすると刃の角度は鈍く（大きく）なります。刃の鋭利さを維持するためには身幅を拡げる方法がありますが，そうすると重量が増します。全体のバランスを維持できる形状を見出すことは，我々が思っている以上に大変なことなのかもしれません。実際の研究では鎬造りや反りなどの形状を再現した上で，鋼の強さや造り込み（内部構造）も考慮しながら，刀身の曲げ強さを探っていきたいと考えています。