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材料力学

索引 材料力学

材料力学(ざいりょうりきがく、)は、応用力学の一分野で、機械や構造物に負荷が加わったときの変形、そして破壊の原理を研究する学問である。.

32 関係: 力学原理垂直応力ひずみせん断せん断応力変形学問座屈建築学弾性率引張り応力応力-ひずみ曲線応用力学土木工学圧縮フックの法則カスチリアノの定理破壊破壊力学静力学負荷降伏 (物理)材料工学材料強度学梁 (建築)構造力学機械的性質

力学

力学(りきがく、英語:mechanics)とは、物体や機械(machine)の運動、またそれらに働く力や相互作用を考察の対象とする学問分野の総称である。物理学で単に「力学」と言えば、古典力学またはニュートン力学のことを指すことがある。 自然科学・工学・技術の分野で用いられることがある言葉であるが、社会集団や個人の間の力関係のことを比喩的に「力学」と言う場合もある。.

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原理

原理(げんり、principium、principe、principle、Prinzip)とは、哲学や数学において、学問的議論を展開する時に予め置かれるべき言明。 そこから他のものが導き出され規定される始原。他を必要とせず、なおかつ他が必要とする第一のものである。.

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垂直応力

垂直応力(すいちょくおうりょく、normal stress)とは、固体内部のある面の垂直方向に作用する応力のこと。固体に外力P が作用するとき、外力P に垂直な面による固体の断面積をA とすると、その面における垂直応力σは で表される。 静止状態にある流体には垂直応力のみが作用しており、せん断応力は存在しない。 垂直応力が押し合う場合を圧力、引き合う場合を張力という。.

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ひずみ

ひずみ(Strain)は、連続体力学における物体の変形状態を表す尺度であり、物体の基準(初期)状態の単位長さあたりに物体内の物質点がどれだけ変位するかを示す。.

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せん断

せん断(剪断、せんだん)あるいはシア (shear)とは、はさみなどを使って挟み切るように、物体や流体の内部の任意の面に関して面に平行方向に力が作用することである。.

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せん断応力

せん断応力(剪断応力、せんだんおうりょく、)とは、物体内部のある面の平行方向に、すべらせるように作用する応力のことである。シヤー応力とも。物体内部の面積Aのある面に平行方向のせん断力T が作用している時、Aに作用する平均的な剪断応力\tau は\tau.

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変形

変形(へんけい、deformation)とは、連続体力学における物体の初期状態から最終状態への変換であるTruesdell, C. and Noll, W., (2004), The non-linear field theories of mechanics: Third edition, Springer, p. 48.

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学問

学問(がくもん)とは、一定の理論に基づいて体系化された知識と方法であり、哲学や歴史学、心理学や言語学などの人文科学、政治学や法律学などの社会科学、物理学や化学などの自然科学などの総称。英語ではscience(s)であり、science(s)は普通、科学と訳す。なお、学問の専門家を一般に「学者」と呼ぶ。研究者、科学者と呼ばれる場合もある。.

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座屈

短い柱(左)と長い柱(右)が圧縮力を受けたときの比較。細長い柱は座屈を起こす。 座屈(ざくつ、)は、構造物に加える荷重を次第に増加すると、ある荷重で急に変形の模様が変化し、大きなたわみを生ずることをいう。構造に座屈現象を引き起こす荷重をその構造の座屈荷重という。座屈荷重はその構造の剛性および形状に依存し、材料の強度以下で起こることもある。圧縮荷重を受ける柱の場合、材料、断面形状、荷重の条件が同じであっても、座屈荷重は柱の長さに依存するため、短い柱では座屈を起こさず、長い柱のみに発生する(右図)。 座屈現象は構造の不安定現象のひとつである。例えば、圧縮荷重を受ける長柱が、擾乱(例えば、風による圧力など)を受けて横方向に変形しても、圧縮荷重が座屈荷重以下であれば、長柱の横剛性(曲げ剛性)により擾乱が消えればもとに戻る。しかし、荷重が座屈荷重ちょうどであると、それに対する長柱の横剛性は十分でなく、擾乱を受けて生じた変形は元に戻らない(変形した状態で安定する)。荷重が座屈荷重よりも少しでも大きいと、小さな擾乱でも長柱は倒壊する。このように、座屈荷重を超える圧縮荷重を受ける構造は不安定な状態にあり、座屈による破壊とは、不安定な状態から倒壊というもう一つの安定状態に飛び移ることである。 圧縮荷重を分担する部材の設計では、座屈強度に対する注意が必要である。.

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建築学

建築学(けんちくがく)とは、建築物の設計や歴史などについて研究する学問である。構造や材料などの工学的な側面と、デザインや建築史について研究する芸術的・文化的な側面を持つ。 かつての建築家があらゆる課題を各自解決する必要があったように、建築学は総合的学問であったが、建築と一口に言ってもその応用範囲は、広大かつ多岐にわたる。構造的側面、芸術的側面はもとより、都市計画などにおいては、人間社会におけるライフスタイル、ひいては、精神的分野にまで踏み込んだ形で計画され実施される。すなわち、構造分野においては、数理的解釈を必要とする理科学的知識を必要とし、芸術分野においては、精神論的解釈が求められる。またその両者を高い次元において両立させるための総合力が不可欠である。 そのためいわゆる建築学といわれる分野の知識以外にも、機械工学、電子工学、土木工学、精神論、社会学、法学、経済学、語学、環境学、エコロジー分野など、多岐にわたる知識を広く浅く知る必要がある、特殊な学問である。その学問的性質上、現代では完全な分業化が進んでおり、それぞれの分野に特化している。.

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弾性率

弾性率(だんせいりつ、elastic modulus)は、変形のしにくさを表す物性値であり、弾性変形における応力とひずみの間の比例定数の総称である。弾性係数あるいは弾性定数とも呼ばれる。 1807年にトマス・ヤングによって導入された。.

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引張り

引張り(ひっぱり)とは.

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応力

応力(おうりょく、ストレス、stress)とは、物体連続体などの基礎仮定を満たすものとする。の内部に生じる力の大きさや作用方向を表現するために用いられる物理量である。物体の変形や破壊などに対する負担の大きさを検討するのに用いられる。 この物理量には応力ベクトル と応力テンソル の2つがあり、単に「応力」といえば応力テンソルのことを指すことが多い。応力テンソルは座標系などを特別に断らない限り、主に2階の混合テンソルおよび混合ベクトルとして扱われる(混合テンソルについてはテンソル積#テンソル空間とテンソルを参照)。応力ベクトルと応力テンソルは、ともに連続体内部に定義した微小面積に作用する単位面積あたりの力として定義される。そのため、それらの単位は、SIではPa (N/m2)、重力単位系ではkgf/mm2で、圧力と同じである。.

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応力-ひずみ曲線

応力-ひずみ曲線(おうりょく-ひずみきょくせん、stress-strain curve)とは、材料の引張試験、圧縮試験において得られる応力とひずみの関係曲線。応力-ひずみ線図(stress-strain diagram)とも呼ばれる。 一般的に、ひずみを横軸に、応力を縦軸にとって描かれる。材料によって応力-ひずみ曲線は異なり、縦弾性係数、降伏点、引張強さなど、基礎的な機械的性質を応力-ひずみ曲線から得ることができる。.

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応用力学

応用力学(おうようりきがく、英語:applied mechanics)は、質量保存、運動量、角運動量、万有引力などの数少ない基本法則をもとに、論理的な推論によって、対象とした系の挙動を解析し、予測する学問である。その適用対象は広範多岐にわたり、スケールも原子分子のオーダーから宇宙規模にも及んでいる。また、これらの法則は、共通の記述言語である数学を用いて表現され、対象系を構成する材料や系全体の特性も数理的に記述される。これにより的確な共通理解が得られることになる。.

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土木工学

土木工学(どぼくこうがく、civil engineering)とは、良質な生活空間の構築を目的として、自然災害からの防御や社会的・経済的基盤の整備のための技術(土木技術)について研究する工学である。.

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圧縮

圧縮(あっしゅく).

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フックの法則

フックの法則(フックのほうそく、Hooke's law)は、力学や物理学における構成則の一種で、ばねの伸びと弾性限度以下の荷重は正比例するという近似的な法則である。弾性の法則(だんせいのほうそく)とも呼ばれる。フックの法則が近似として成り立つ物質を線形弾性体またはフック弾性体 (Hookean elastic material) と呼ぶ。 フックの法則は17世紀のイギリスの物理学者、ロバート・フックが提唱したものであり、彼の名を取ってフックの法則と名づけられた。フックは1676年にラテン語のアナグラムでこの法則を記述し、1678年にアナグラムの答えが、即ち であると発表した。フックの法則に従う系では、荷重は伸びに正比例し と表される。ここで.

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カスチリアノの定理

チリアノの定理(カスチリアノのていり、Castigliano's theorem)は、構造力学、材料力学などで扱われる定理で、第1定理と第2定理からなる。たわみ(変形量)を求めたり不静定構造を解いたりするときによく使われる。カスティリアノの定理とも表記する。この定理は仮想仕事の原理を用いて証明される。 1873年にカルロ・アルベルト・カスティリャーノによって確立された。 日本では、東京帝国大学教授であった広井勇により初めて詳しく紹介された。.

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破壊

壊(はかい)とは、物に何らかの力や影響が加わることにより、その物の形状・機能・性質などが失われること。また、それを引き起こす行為のこと。対義語は「製造」や「再生」、「修復」など。 固体材料においては、その材料の強度を上回る外力が加わったときにその材料が2つまたはそれ以上の部分に分離することを破壊(fracture)と呼ぶ。材料の破壊を研究する工学の分野として破壊力学や材料強度学がある。破壊に寄与する外力が人為的に加えられる場合と老朽化や素材の特性による自発的な場合が考えられるが、特に構造物に対しては、自然発生的に構造物がその形状を維持できなくなる現象には崩壊、意図的な破壊には解体と呼び分けることもある。破壊された物に関しては役目を果たせないことから廃棄される場合が多い。逆に不要な物を廃棄する際に処理しやすいよう、小さく分割することを目的として破壊(解体)する場合もある。 また、材料や電気回路に一定以上の電流・電圧を加えたときに材料や回路の特性が損なわれる現象も破壊と呼ばれる。一例として、導体間を隔離している絶縁体を通して放電がおこり絶縁性が永久に失われる現象は特に絶縁破壊と呼ばれる。 コンピュータウイルスなどによるコンピュータ上のデータの書き換えや抹消など、物質的な実体を伴わない場合でも破壊と呼ばれる。 自然環境を自然浄化のサイクルを遥かに超える勢いで変化させたり、生物にとって必要な条件を奪う、もしくは生物にとって有害な条件を与えるなどして大きく変化させる行為を自然破壊あるいは環境破壊と呼び、公害や生物の絶滅、奇形生物の誕生などをもたらす。.

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破壊力学

壊力学(はかいりきがく、英語:fracture mechanics)は、材料力学をベースとしながらもそれでカバーできない分野に考え出された工学の一分野であり、欠陥もしくはき裂を有する部材・材料について、破壊現象を定量的に取り扱う工学的手法の一つである。き裂は曲率半径0 の切り欠きであり、その部位の応力集中係数を従来の材料力学的手法で取り扱うと無限大となる困難が生じていた。これに対する回答をGriffithやIrwimらがみいだしこの分野が確立した。 破壊力学では、欠陥・き裂部位の形状・応力・ひずみの状態などを単純なパラメータに落としこみ、比較的容易に取り扱うことが出来る。材料力学を常用することで解決する分野でなく破壊問題が深刻な最先端領域で多用される。.

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管(くだ・かん)とは、中空の細長い構造である。チューブ(tube)とも言う。自然界では生物に様々なものが見られ、人工物では金属、プラスチック、コンクリートなどによって作られ、利用される。.

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静力学

静力学(せいりきがく、英語:statics)とは、静的状態にある、即ち時間によって系の要素の相対的な位置が変化しない状態に働く力やトルクについて研究する、応用物理学の一分野である。静的状態では、物体は止まっているか、重心に向かって等速度運動している。 運動の第2法則によると、この状況は系の全ての物体にかかる力とトルクの総和が0であることを意味する。つまり働いている全ての力には同じ大きさで逆向きの力がある。 静力学は、建築学や構造力学での構造の分析の道具として用いられる。材料強度学は、静力学に大きく関係する力学の一分野である。 流体静力学は静止した流体について研究する学問である。静止した流体の特徴は、ある点にかかる力が全ての方向に分散することである。もし力が等しくかからなければ、流体は力の方向に移動する。この概念はフランスの数学者で哲学者のブレーズ・パスカルによって1647年に初めて公式化され、パスカルの原理として知られるようになった。この原理は水理学の基礎となっている。ガリレオ・ガリレイも水理学の発展に大きく貢献した一人である。 経済学では、「静的」分析とは物理学におけるのと同じ意味で用いられる。1947年にポール・サミュエルソンのFoundations of Economic Analysisが発表されて以来、比較静学、つまりある静的状態と別の静的状態を比べる手法が注目を集めてきた。 * Category:古典力学.

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負荷

負荷(ふか).

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降伏 (物理)

降伏(こうふく)とは、金属材料などに応力を加えていくと現れる現象である。例えば鋼に応力を加えていくと、応力-ひずみ線図は図1のような挙動を示す。図1では、応力が点2に至るとひずみは大きくなるのに対し引っ張り応力は下降する。このとき鋼は降伏したという。点2に至るまでの変形は弾性変形であり荷重を除荷すれば形状は元に戻るのに対し、降伏後は塑性変形になり除荷しても弾性変形分(点2までの変形)以上は戻ることはない。 降伏中の最大の応力を上降伏点(点2)、最低の応力を下降伏点という。実用上は上降伏点が、弾性変形の最大基準の応力としてよく利用されている。.

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ンタシスの柱(法隆寺) 柱(はしら)は、材を垂直に立てて建築物の支え(ささえ)としたもの。 材料は、古来は木材、石材、竹材などが使われ、近世以降は鋼材、コンクリート、鉄筋コンクリート製のものも現れた。 柱は建築物の構成要素となるほか、電柱や御柱など、それ自身が構築物(内部空間がないので建築物ではない)となっていることもある。 用途、場所、役割によって呼び名が異なる。床の間に使う装飾的な柱を床柱、門を支えるものを門柱、塀を支える柱を控柱、また、大壁を真壁に見せかけるための付け柱などとそれぞれに名称が付けられている。家の中心となるような太い柱は、大黒柱・大極柱(だいこくばしら)と呼ばれる。 物理学(構造力学)においては、軸方向に作用する圧縮荷重に抵抗する細長い直線状の棒材 を柱と呼び、梁(軸に対し直交する方向に作用する荷重に抵抗する棒材)と区別される。.

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材料工学

材料工学(ざいりょうこうがく、英語:materials science and engineering)または材料科学(ざいりょうかがく)は、工学の一分野であり、物理学、化学等の知識を融合して新しい材料(素材)やデバイスの設計と開発、そして評価をおこなう学問である。 プロセス技術(結晶の成長、薄膜化、焼結、鋳造、圧延、溶接、イオン注入、ガラス形成など)、分析評価技術(電子顕微鏡、X線回折、熱量計測など)および産業上の材料生産での費用対利潤の評価などを扱う。.

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材料強度学

材料強度学(ざいりょうきょうどがく、)とは、固体材料に外力が加わったときの変形や破壊などの力学的な挙動を取り扱い、材料の強度を論じる学問である。日本の材料工学・機械工学者の横堀武夫により、材料強度と破壊の学問を体系化するものとして命名された。 材料力学との大きな違いは、量子論、原子論や結晶論(転位論)を意識しつつき裂(転位、空孔、結晶粒界などの材料の微小不連続的な原子の結合部位などもふくめ欠陥と称することが多い)が存在する場合の状態を考慮する事である。材料中にき裂や損傷が、発生・進展(成長)して破壊に至るまでの過程を扱う。 もう一つの大きな違いは、繰返し負荷や温度・湿度の影響によって生じる破壊・損傷を論じる事である。すなわち、引張り強度以下の負荷が与え続けられた場合の材料の破壊や、高温水蒸気中に放置された場合の損傷などである。.

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板(いた).

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梁 (建築)

彦根城の梁 明治時代の町屋「吉島家」(岐阜県高山市)の梁 梁(はり、りょう)とは建物の水平短径方向に架けられ、床や屋根などの荷重を柱に伝える材のことであり、主に曲げ応力を担う。 梁はおもに鉛直荷重を伝えるが、地震などに際しては水平方向の荷重を支えることにもなる。 梁にかけられた荷重は、柱・壁・大梁に伝えられる。梁の端部に柱があるものを大梁、柱に直接繋がっていないものを小梁とよぶ。W造・S造・SRC造と算定方法は異なる。 梁の特性は、断面形状・長さ・材料によって決定される。現代の建築においては、梁はおもに鉄骨・鉄筋コンクリート・木材で造られる。鉄骨製の梁部材に広く使われるのは、幅の広いフランジを持ったH形鋼であり、橋梁にも用いられる。その他にも、溝型鋼、山型鋼、パイプなどの型鋼が梁に用いられている。.

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構造力学

構造力学(こうぞうりきがく、英語:structural mechanics)は連続体力学の一分野であり、橋梁、建築物、ヴィークル類などの構造物が荷重を受けたときに生じる応力や変形などを解析するための力学である。一つの物体のときは材料力学という。土木工学の分野では根幹を成す学問分野であり、水理学、地盤力学と合わせて「3力(さんりき)」と呼ばれることがある。.

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機械的性質

材料の機械的性質(きかいてきせいしつ、mechanical property of material)または機械特性(きかいとくせい)とは、材料が持つ連続体としての力学的特性の総称である。 材料力学・材料強度学などにおいて、材料がその種類の違いにより引張り・圧縮・せん断などの外力に対してどの程度の耐久性を持つかなどの諸性質である。材料加工のしやすさ、加工された工業製品の耐久性などの尺度となる。.

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