材料科学と工学では、剛体が伸びたり、ねじれたり、縮んだりしたときの挙動について、常に理解しようとしています。加えられた力と変形の関係を確立することにより、剛体の挙動を理解するよう努めています。したがって、物質の機械的特性を理解するには、まず「応力とは何か?」という質問に対する答えを理解する必要があります。
ストレスの意味
応力は、単位面積あたりの物体の内部復元力として定義されます。例を挙げてみましょう。ゴムワイヤーに力を加えると伸びます。しばらくして力を抜くと、ゴムは元の形と大きさに戻ります。
ここで問題は、ゴムを元の位置に戻す原因となる力は何ですか?
外力を加えると内力が発生します。この復元力の大きさは、ワイヤの伸びが大きくなるにつれて大きくなります。外力を取り除くと、復元力によりゴム線は元の形と大きさに戻ります。つまり、ストレスとは体の内部で働く単位面積あたりの復元力です。
ストレスの式
数学的に、ストレスは次のように表すことができます:
ここで、
ストレスです
F は復元力です
A は F が垂直な表面積です
ストレスに関する重要なポイント
- 応力はテンソル量です。
- その寸法は [M¹L-¹T-²] です
- SI 単位系では、応力の単位は Nm-² またはパスカルです。しかし、この応力の単位は非常に小さいです。そのため、エンジニアリング アプリケーションでは、MPa や GPa などのより大きな単位が使用されます。
1MPa=106Pa=1N/mm²
1GPa=1000MPa=1KN/mm²
ストレスの種類
境界的な意味で、ストレスは次のように分類できます。
単純または直接的なストレス:
単純応力または直接応力は、直接荷重によって生じる応力として定義できます。例えば、棒で重い物を吊るした場合。
3 種類の応力は、直接応力または単純応力と見なされます。
- 緊張
- 圧縮
- シアー
間接ストレス:
物体に荷重がかかり、物体が変形すると、その変形によって応力が発生します。これを間接ストレスといいます。
これらのストレスをより詳細に理解しましょう。
- 引張りおよび圧縮応力:引張りまたは圧縮応力は、単位面積あたりに垂直に加えられる単純な力です。引張応力は張力に対して定義され、圧縮応力は圧縮力に対して定義されます。
ここで、F は、面積 A を持つ表面の接線方向に作用する力の大きさです。
- 体積応力:物体の総体積に力を加えた場合、単位面積あたりの圧力は体積応力と呼ばれます。
- 曲げ応力:物体の軸に対して垂直に荷重が加えられた場合、または軸を通る平面に作用するいくつかの力が作用した場合、曲げが発生します。この曲げによって発生する応力を曲げ応力と呼びます。
ストレスとは？質問
質問 1:与えられた図では、各断面にかかる力が示されています。断面の表面積は次のとおりです:
ABの面積=CDの面積=2mm²、EFの面積=GHの面積=1mm²。
次に、表面 AB と GH の応力を見つけます。
ここで、F は面積 A に垂直な力の大きさです。
- せん断応力:せん断応力も単位面積あたりの力ですが、ここでは力ベクトルは表面に対して垂直ではありません。それは面積平面上にあります。せん断応力=FA
ここで、F は面積 A を持つサーフェスに接線方向に作用する力の大きさです。
- 体積応力:物体の総体積に力を加えた場合、単位面積あたりの圧力は体積応力と呼ばれます。
- 曲げ応力:物体の軸に対して垂直に荷重が加えられた場合、または軸を通る平面に作用するいくつかの力が作用した場合、曲げが発生します。この曲げによって発生する応力を曲げ応力と呼びます。
ストレスとは？質問
質問 1:与えられた図では、各断面にかかる力が示されています。断面の表面積は次のとおりです:
ABの面積=CDの面積=2mm²、EFの面積=GHの面積=1mm²。
次に、表面 AB と GH の応力を見つけます。
解決策:
- i) 左側から分析すると、AB の左側の正味の力 =50+20=70N
したがって、AB=70N の両側の総荷重
AB=2mm²の表面積
- 同様に、GH=40 N の右側の正味の力
ロッドは平衡状態にあるので、表面の両側にかかる力の合計は GH=40 N
と言えます。表面積 GH=1mm²
問題 2:バルーンには、内圧 3Pa の空気が充填されています。風船の直径は4cmです。次に、体積応力を見つけます。
解決策:
風船は平衡状態にあるので、その体積は一定です。このとき、面の両側にかかる力の合計は同じです。ここでは、圧力は体積応力に等しくなります。
したがって、体積応力 =3Pa
質問 3:均一な質量 5 kg、断面積 2m²、長さ 2 m の棒。底部が壁から垂直に吊り下げられている場合、底部から 1 m の高さでの応力を求めます
解決策:
ロッドが垂直に吊り下げられているため、ロッドの重心にある重量により、力がロッドに作用します。
ロッドの質量 =M=5 kg
断面積 =A=2 m²
したがって、ロッドにかかる力 =ロッドの重量 =mg=510=50N
したがって、底部から 1 m の高さでの応力 =COM での応力 =50/2=25 Pa.
結論
材料工学と科学では、応力のさまざまな研究と応用があります。物体にかかる応力の情報を使用して、物体に生じる伸びを計算できます。材料にかかる応力が増加すると、さまざまな変化が起こりますが、これは応力-ひずみ図を使用して説明できます。フックの法則を使用して、応力から弾性定数を導き出すことができます。
