<本連載にあたって> 機械工学に携わる技術者にとって,「材料力学,機械力学,熱力学,流体力学」の4力学は,欠くことのできない重要な学問分野である。しかしながら昨今は高等教育でカバーすべき学問領域が多様化しており,大学や高等専門学校において,これら基礎力学の講義に割かれる講義時間が減少している。本会の材料力学部門では,主に企業の技術者や研究者を対象として材料力学の基礎を学ぶための講習会を毎年実施しているが,そのなかで,企業に入ってから改めて 材料力学の基礎の基礎 を学びなおすための教科書や参考書がぜひ欲しいという声があった。また,電気系や材料科学系の技術者からも,初学者が学べる読みやすいテキストを望む意見があった。これらのご意見に応えるべく,本会では上記の4力学に制御工学を加えた5分野について, 「やさしいシリーズ」 と題する教科書の出版を計画している。今回は本シリーズ出版のための下準備も兼ねながら,材料力学の最も基礎的な事項に絞って,12回にわたる連載のなかで分かりやすく解説させて頂くことにしたい。 1 はじめに 本稿では,材料力学を学ぶにあたってもっとも大切な応力とひずみの概念について学ぶ。ひずみと応力の定義,応力とひずみの関係を表すフックの法則,垂直ひずみとせん断ひずみの違いについても説明する。 2 垂直応力 図1. 1 に示すように,丸棒の両端に大きさが$P[{\rm N}]$の引張荷重が作用している場合について考えよう。棒の断面積を$A[{\rm m}^2]$,棒の端面作用する圧力を$\sigma[{\rm Pa}={\rm N}/{\rm m}^2]$とすると,荷重と圧力の間には \[\sigma = \frac{P}{A}\] (1) の関係が成り立つ。応力$\sigma$は,${\rm Pa}={\rm N}/{\rm m}^2$の次元を持っており,物理学でいうところの圧力と同じものと考えて差し支えないが,材料力学では材料の内部に働く単位面積あたりの力のことを 応力 と定義し,物体の面に対して垂直方向に作用する応力のことを 垂直応力 と呼ぶ。垂直応力の符号は, 図1. 2 に示すように,応力の作用する面に対してその法線と同じ向きに作用する応力,すなわち面を引張る方向に作用する垂直応力を正と定義する。一方,注目面に対して押し付ける向きに作用する圧縮応力は負の応力と定義する。 図1.
4 ポアソン比の定義 長さが$L_0$,直径が$d_0$の丸棒に引張荷重を作用させる場合について考える( 図1. 4 )。ある荷重を受けて,この棒の長さが$L$,直径が$d$になったとすれば,この棒の長手方向(荷重方向)のひずみ$\varepsilon_x$は \[\varepsilon_x = \frac{L – L_0}{L_0}\] (5) 直径方向のひずみ$\varepsilon_y$は \[\varepsilon_y = \frac{d – d_0}{d_0}\] (6) となる。ここで,荷重方向に対するひずみ$\varepsilon_x$と,それに直交する方向のひずみ$\varepsilon_y$の比を考えて以下の定数$\nu$を定義する。 \[\text{ポアソン比:} \nu = – \frac{\varepsilon_y}{\varepsilon_x}\] (7) 材料力学ではこの定数$\nu$を ポアソン比 と呼ぶ。引張方向のひずみが正ならば,それと直交する方向のひずみは一般的に負になるので,ポアソン比の定義式にはマイナスが付くことに注意したい。均質等方性材料では,ポアソン比は0. 5を超えることはなく,ほとんどの材料で0. 2から0. 応力とひずみの関係 グラフ. 4程度の値をとる。 5 せん断応力とせん断ひずみ 次に, 図1. 5 に示すように,着目する面に平行な方向に作用する力である せん断力 について考える。この力を単位面積あたりの力として表したものが せん断応力 となる。着目面の断面積を$A$とすれば,せん断応力$\tau$は以下のように定義される。 \[\text{せん断応力:}\tau = { Q \over A}\] (8) 図1. 5 せん断応力,せん断ひずみの定義 ここで,基準長さに対する変形量の比を考えてせん断変形を表すことを考える。いま,着目している正方形の領域の一辺の長さを$L$として, 図1. 5(右) に示されるように着目面と平行な方向への移動量を$\lambda$とすると,$L$と$\lambda$の比が せん断ひずみ $\gamma$となる。 \[\text{せん断ひずみ:} \gamma = \frac{\lambda}{L}\] (9) もし,せん断変形量$\lambda$が小さいとすれば,これらの長さと角度$\theta$の間に,$\tan \theta \simeq \theta = \lambda/L$の関係が成立するから,せん断ひずみは着目領域のせん断変形量を角度で表したものととらえることができる。 また,垂直応力と垂直ひずみの関係と同様に,せん断応力$\tau$とせん断ひずみ$\gamma$の間にも,以下のフックの法則が成立する。 ここで,比例定数$G$のことをせん断弾性係数(横弾性係数)と呼ぶ。材料の弾性的性質に方向性がない場合,すなわち材料が等方性材料であれば,ヤング率$E$とせん断弾性係数$G$,ポアソン比$\nu$の間に以下の関係式が成り立つ。 \[G = \frac{E}{2(1 + \nu)}\] (11) 例えば,ヤング率206GPa,ポアソン比0.
○弾性体の垂直応力が s (垂直ひずみ e = s / E )であれば,そこには単位体積当たり のひずみエネルギーが蓄えられる. ○また,せん断応力が t (せん断ひずみ g = t / G )であれば,これによる単位体積当たりのひずみエネルギーは である. なお, s と t が同時に生じていれば単位体積当たりのひずみエネルギーはこれらの和である. 戻る
まず、鉄の中に炭素が入っている材料を「炭素鋼」と呼びます。 鉄には、炭素の含有量が多いほど硬くなるという性質がありますが、 そのなかでも、「炭素」の含有量が少ないものを「軟鋼」といいます。 この軟鋼は、鉄骨や、鉄道のレールなど、多種多様に用いられている材料です。世の中にかなり普及しているため、参考書にも多く登場するのだと思われます。 あまりにも多くの資料に「軟鋼の応力-ひずみ線図」が掲載されているため、 まるでどの材料にも、このような特性があるものだと、学生当時の私は思っておりましたが、 「降伏をした後の、グラフがギザギザになる特性がない材料」や、 「そもそも降伏しない材料」もあります。 この応力-ひずみ線図は「あくまで代表例である」ということに気をつけてください。
ひずみ計測の「ひずみ」について、ポアソン比や応力を交えて紹介しています。 製品強度や構造を検討するときに必ず話題に上がるのがこの「ひずみ」(ε)です。 ひずみの単位 ひずみは伸び(縮み)を比率で表したものなので単位はありません。つまり"無名数"扱いです。しかし、『この数値はひずみですよ』ということを知らせるために○○ST(strainの略)や○○ε(ひずみは一般にギリシャ文字のεで表すため)をつけます。(%やppmと同じ考え方です。)また、ひずみは小さな値を示すのでμ(マイクロ 1×10 -6 )をつけてマイクロひずみ(μST、με)を表されます。 棒を引っ張ると伸びるとともに径も細くなります。伸びる(縮む)方向を"縦ひずみ"、径方向(=外力と直交方向)の変化を"横ひずみ"(εh)といいます。 1) 縦ひずみは物体が伸び(縮み)する方向の比率 2) 横ひずみは径方向の変化の比率 縦ひずみと横ひずみの比を「ポアソン比」といい、一般的な金属材料では0. 応力とひずみの関係 逆行列. 3付近になります。 ν=|εh/ε|... (3式) では引っ張られた棒の中ではどんな力が作用しているのでしょうか。引っ張られた棒の中では元の形に戻そうとする力(力の大きさは引っ張る力と同じ)が働いています。この力が働いているので、引っ張るのをやめると棒は元に戻るのです。 この反発する力を断面積で割った値(単位面積当たりを換算した値)を"応力"(σ)といいます。外から引っ張る力をP(N)、断面積をa(m 2 )としたときの応力は ひずみに方向(符号)はある? ひずみにも方向があり、伸びたか縮んだかの方向を表すのにプラス/マイナスの符号をつけて表します。 引っ張り(伸び):プラス 圧縮(縮む):マイナス ひずみと応力関係は実験的に求められています。 金属の棒を例にとると、軽く曲げた程度では、棒は元のまっすぐな状態に戻りますが、強く曲げると曲がったまま戻らなくなります。この、元の状態まで戻ることのできる曲げ量(ひずみ量)が弾性域、それ以上を塑性域と言い、弾性域は応力とひずみが直線的な関係にあり、これを「ヤング率」とか「縦弾性係数」と言い、通常「E」で表わします。 ヤング率(縦弾性係数)がわかればひずみ量から応力を計算することが可能です。 σ=(材料によって決まった定数 E)×ε... (5式) ひずみ量から応力=かかった力を求めてみましょう。 図の鋼棒を引っ張ったときに、485μSTのひずみが測定されたとして、応力を求めてみましょう。 条件:SS400のヤング率(縦弾性係数)E=206GPa 1Pa=1N/m 2 (5式)より、 σ=E×ε=206GPa×485μST=(206×10 9)×(485×10 -6)=99.
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天才を育てた女房|読売テレビ
世界に誇る関西出身の天才数学者・岡潔。数学に人生を捧げた彼は、世界の数学者が長年取り組みながらも解けなかった難問を解いて認められ、1960年に文化勲章を受章。ノーベル賞受賞者の湯川秀樹、朝永振一郎の恩師でもある。 数学にしか興味がなく、私生活では変わり者。潔は、天才ゆえに周囲の理解を得られない孤高の存在だった。彼のそばには常に、命がけで寄り添う妻・みちがいた。岡潔の偉業は、みちの献身なくしては成されなかったに違いない。 天海祐希が、夫を信じ、持ち前のバイタリティで長く苦しい日々を明るく乗り越えようとするみちを熱演。佐々木蔵之介が、大数学者・岡潔の情熱を体現する。 京都帝国大学で数学を学ぶ岡潔と出会ったみちは、彼と結婚。みちは、数学を究めるためだけに生きる潔に振り回されながらも、温かく辛抱強く、夫を支えるのだった…。 このドラマは、山あり谷あり波瀾万丈にして数奇な人生を歩んだ夫婦の絆の物語。
2018年公開 世界に誇る関西出身の天才数学者・岡潔。数学に人生を捧げた彼は、世界の数学者が長年取り組みながらも解けなかった難問を解いて認められ、1960年に文化勲章を受章。ノーベル賞受賞者の湯川秀樹、朝永振一郎の恩師でもある。数学にしか興味がなく、私生活では変わり者。潔は、天才ゆえに周囲の理解を得られない孤高の存在だった。彼のそばには常に、命がけで寄り添う妻・みちがいた。岡潔の偉業は、みちの献身なくしては成されなかったに違いない。天海祐希が、夫を信じ、持ち前のバイタリティで長く苦しい日々を明るく乗り越えようとするみちを熱演。佐々木蔵之介が、大数学者・岡潔の情熱を体現する。このドラマは、山あり谷あり波瀾万丈にして数奇な人生を歩んだ夫婦の絆の物語。 ©_xDD2B_読売テレビ