「”応力”ってよく使うけど、ちゃんと理解できてない…。」
「荷重と応力は何がちがう？」
「応力にはいろんな種類があるの？」
「ついでに計算方法も知っておきたい…！」
このような疑問を解決します。
こんにちは。機械設計エンジニアのはくです。
2019年に機械系の大学院を卒業し、現在は機械設計士として働いています。
本記事では、材料力学を学ぶ第2ステップとして「応力」について解説します。
この記事を読むとできるようになること。
- 応力とは何かがわかる
- 荷重と応力の関係がわかる
- 応力と圧力の違いわかる
- 応力の種類がわかる
日常生活でよく使う「力」や「荷重」ですが、材料力学では「応力」として考える必要があります。
材料力学を考えるうえで必須の知識ですので、確実に理解しておきましょう。
前回の記事はこちら。
応力とは
応力とは、物体内部に発生する単位面積あたりの力です。
式で表すと以下のとおり。単位は[N/m2]=[Pa]です。
σ = P/A [N/m2]
上式より、応力は力Pに比例し、断面積Aに反比例することがわかります。
たとえば、丸棒に引張荷重Pを加えて引き伸ばす場合、棒の断面積Aが大きいほど変形量は小さくなります。
細い棒よりも太い棒の方が引き伸ばすのが大変なのは、感覚的にわかると思います。
これは、断面積Aが大きくなると、作用する力Pも断面の中で分散されてしまうためです。
そのため、棒を変形させるためにはより大きな力が必要であり、応力の式とも一致します。
応力と圧力の違い
さきほど、応力の単位は[N/m2]=[Pa]と説明しました。
ここで、Pa（パスカル）は圧力の単位でもあります。
応力も圧力も単位面積あたりに作用する力のことを言いますが、2つのちがいは力が作用する場所です。
応力が物体内部に作用する力を表すのに対し、圧力は物体表面に作用する力を表します。
さきほどの図で説明すると、表面積Aに作用する単位面積あたりの力が圧力、丸棒を途中で切断した断面積A’に作用する単位面積あたりの力が応力です。
応力が材料の強度や変形量の計算に使われるのに対し、圧力は気体や液体の状態を確認するのに使われることが多いです。
たとえば、気体は圧力によって体積や温度が変わります。
気体の状態を求める場合には、応力ではなく圧力の計算が必要になります。
応力の種類
応力とは何かがわかったところで、応力の種類を紹介します。
といっても、基本的には荷重の種類と同じで、引張荷重が働く場合は引張応力が作用するといった感じ。
荷重の種類がわからない方は、以下の記事を見てみてください。
引張応力
物体を引っ張る向きに荷重を加えたときに発生する応力のことです。
切断面と垂直な向きに作用します。
圧縮応力
引張応力とは逆で、物体を圧縮する荷重を加えたときに作用する応力です。
切断面と垂直な向きに作用します。
せん断応力
せん断荷重が加えられたときに発生する応力のことです。
図で表すと以下のとおり。
引張・圧縮応力とは違い、切断面と同じ向きに作用します。
曲げ応力
物体を曲げるように力を加えたときに発生する応力のことです。
曲げ部分の外側では引張応力が生じて材料が伸び、内側では圧縮応力が生じて材料が縮みます。
ねじり応力
材料がねじられる時に発生する応力のことです。
ネジを締め込んでいくと、このねじり応力が発生します。
座屈応力
細長い材料や薄い板材を圧縮するように上下から力を加えると、材料がぐにゃりと曲がります。
この現象を「座屈（ざくつ）」と言い、材料内部に発生する応力が座屈応力です。
まとめ：応力は材料の内部に働く力
以上、材料力学の基本となる「応力」について解説しました。
応力は、材料の強度計算をするうえで必須の知識です。
機械設計では必ず使う内容ですので、確実に理解しておきましょう。
次の記事はこちら。
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