第12章静的つり合いと弾性
Conceptual Questions概念に関する問題
Exercises 34–42練習問題 34–42
Note: Unless stated otherwise, the weights of the wires, rods, and other elements are assumed to be negligible. Elastic moduli of selected materials are given in Table 12.1.
英語のヒント
注意:特に断らない限り、針金、棒、その他の部材の重さは無視できるものとする。いくつかの材料の弾性率は表12.1に示されている。
Exercise 34問題 34
Why can a squirrel jump from a tree branch to the ground and run away undamaged, while a human could break a bone in such a fall?
英語のヒント
リスは木の枝から地面へ飛び降り、無傷で走り去れる。人間が同じように落ちると骨折することがあるのはなぜか。
Solution解き方
In contact with the ground, stress in squirrel’s limbs is smaller than stress in human’s limbs.
英語のヒント
地面に接触したとき、リスの四肢に生じる応力は、人間の四肢に生じる応力より小さい。
Exercise 35問題 35
When a glass bottle full of vinegar warms up, both the vinegar and the glass expand, but the vinegar expands significantly more with temperature than does the glass. The bottle will break if it is filled up to its very tight cap. Explain why and how a pocket of air above the vinegar prevents the bottle from breaking.
英語のヒント
酢で満たしたガラス瓶を温めると、酢もガラスも膨張するが、温度による膨張は酢の方がかなり大きい。しっかり閉めたふたのところまで酢を満たすと、瓶は割れる。その理由を説明せよ。また、酢の上に空気の隙間があると、なぜ、どのように瓶の破損を防げるか説明せよ。
Exercise 36問題 36
A thin wire strung between two nails in the wall is used to support a large picture. Is the wire likely to snap if it is strung tightly or if it is strung so that it sags considerably?
英語のヒント
壁の2本のくぎの間に張った細い針金で、大きな絵をつるす。針金が切れやすいのは、ぴんと張った場合か、大きくたるませた場合か。
Solution解き方
tightly
英語のヒント
ぴんと張った場合。
Exercise 37問題 37
Review the relationship between stress and strain. Can you find any similarities between the two quantities?
英語のヒント
応力とひずみの関係を振り返れ。二つの量に似ている点はあるか。
Exercise 38問題 38
What type of stress are you applying when you press on the ends of a wooden rod? When you pull on its ends?
英語のヒント
木の棒の両端を押すとき、どの種類の応力を加えているか。両端を引くときはどうか。
Solution解き方
compressive; tensile
英語のヒント
圧縮応力。引張応力。
Exercise 39問題 39
Can compressive stress be applied to a rubber band?
英語のヒント
輪ゴムに圧縮応力を加えることはできるか。
Exercise 40問題 40
Can Young’s modulus have a negative value? What about the bulk modulus?
英語のヒント
ヤング率は負の値を取り得るか。体積弾性率はどうか。
Solution解き方
no
取らない。
Exercise 41問題 41
If a hypothetical material has a negative bulk modulus, what happens when you squeeze a piece of it?
英語のヒント
体積弾性率が負の仮想的な材料があるとする。その材料のかけらを押し縮めると、何が起こるか。
Exercise 42問題 42
Discuss how you might measure the bulk modulus of a liquid.
英語のヒント
液体の体積弾性率をどのように測定できるか、論じよ。
Problems問題
Exercises 43–63練習問題 43–63
Exercise 43問題 43
The “lead” in pencils is a graphite composition with a Young’s modulus of approximately Calculate the change in length of the lead in an automatic pencil if you tap it straight into the pencil with a force of 4.0 N. The lead is 0.50 mm in diameter and 60 mm long.
英語のヒント
鉛筆の「芯」は、ヤング率が約の黒鉛を含む材料である。シャープペンシルの芯を、4.0 Nの力でまっすぐ内部へ押し込んだときの長さの変化を計算せよ。芯は直径0.50 mm、長さ60 mmである。
Solution解き方
1.2 mm
Exercise 44問題 44
TV broadcast antennas are the tallest artificial structures on Earth. In 1987, a 72.0-kg physicist placed himself and 400 kg of equipment at the top of a 610-m-high antenna to perform gravity experiments. By how much was the antenna compressed, if we consider it to be equivalent to a steel cylinder 0.150 m in radius?
英語のヒント
テレビ放送用アンテナは、地球上で最も高い人工構造物である。1987年、質量72.0 kgの物理学者が、高さ610 mのアンテナの頂上へ400 kgの装置とともに上がり、重力の実験を行った。アンテナを半径0.150 mの鋼の円柱と同等とみなすと、どれだけ圧縮されたか。
Exercise 45問題 45
By how much does a 65.0-kg mountain climber stretch her 0.800-cm diameter nylon rope when she hangs 35.0 m below a rock outcropping? (For nylon,
英語のヒント
質量65.0 kgの登山者が、岩の張り出しから35.0 m下に、直径0.800 cmのナイロン製ロープでぶら下がっている。ロープはどれだけ伸びるか。(ナイロンでは
Solution解き方
32.9 cm
Exercise 46問題 46
When water freezes, its volume increases by 9.05%. What force per unit area is water capable of exerting on a container when it freezes?
英語のヒント
水が凍ると体積は9.05%増す。凍る水は、容器に単位面積当たりどれだけの力を及ぼし得るか。
Exercise 47問題 47
A farmer making grape juice fills a glass bottle to the brim and caps it tightly. The juice expands more than the glass when it warms up, in such a way that the volume increases by 0.20%. Calculate the force exerted by the juice per square centimeter if its bulk modulus is assuming the bottle does not break.
英語のヒント
ブドウジュースを作っている農家の人が、ガラス瓶の縁までジュースを満たし、ふたを固く閉めた。温まると、ジュースはガラスより大きく膨張し、その体積は0.20%増す。体積弾性率がのとき、ジュースが1 cm²当たりに及ぼす力を求めよ。瓶は割れないとする。
Solution解き方
Exercise 48問題 48
A disk between vertebrae in the spine is subjected to a shearing force of 600.0 N. Find its shear deformation, using the shear modulus of The disk is equivalent to a solid cylinder 0.700 cm high and 4.00 cm in diameter.
英語のヒント
脊柱の椎骨の間にある椎間板に、600.0 Nのせん断力が働く。剛性率をとして、せん断による変位を求めよ。椎間板は、高さ0.700 cm、直径4.00 cmの中実円柱と同等とする。
Exercise 49問題 49
A vertebra is subjected to a shearing force of 500.0 N. Find the shear deformation, taking the vertebra to be a cylinder 3.00 cm high and 4.00 cm in diameter.
英語のヒント
椎骨に500.0 Nのせん断力が働く。椎骨を高さ3.00 cm、直径4.00 cmの円柱とみなし、せん断による変位を求めよ。
Solution解き方
Exercise 50問題 50
Calculate the force a piano tuner applies to stretch a steel piano wire by 8.00 mm, if the wire is originally 1.35 m long and its diameter is 0.850 mm.
英語のヒント
ピアノ調律師が、鋼のピアノ線を8.00 mm伸ばすために加える力を計算せよ。線の元の長さは1.35 m、直径は0.850 mmである。
Exercise 51問題 51
A 20.0-m-tall hollow aluminum flagpole is equivalent in strength to a solid cylinder 4.00 cm in diameter. A strong wind bends the pole as much as a horizontal 900.0-N force on the top would do. How far to the side does the top of the pole flex?
英語のヒント
高さ20.0 mの中空アルミニウム製旗ざおは、強度について直径4.00 cmの中実円柱と同等である。強風が旗ざおを曲げる。その曲がり方は、上端に水平方向の900.0 Nの力を加えた場合と同じである。上端は横へどれだけたわむか。
Solution解き方
0.57 mm
Exercise 52問題 52
A copper wire of diameter 1.0 cm stretches 1.0% when it is used to lift a load upward with an acceleration of What is the weight of the load?
英語のヒント
直径1.0 cmの銅線で荷物を上向きに加速度で持ち上げると、銅線は1.0%伸びる。荷物の重さはいくらか。
Exercise 53問題 53
As an oil well is drilled, each new section of drill pipe supports its own weight and the weight of the pipe and the drill bit beneath it. Calculate the stretch in a new 6.00-m-long steel pipe that supports a 100-kg drill bit and a 3.00-km length of pipe with a linear mass density of 20.0 kg/m. Treat the pipe as a solid cylinder with a 5.00-cm diameter.
英語のヒント
油井の掘削では、継ぎ足した掘削管の部分が、自分自身の重さと、その下の管やドリルの刃の重さを支える。新しい長さ6.00 mの鋼管が、質量100 kgの刃と、線密度20.0 kg/mで長さ3.00 kmの管を支えている。この新しい鋼管の伸びを求めよ。管は直径5.00 cmの中実円柱として扱え。
Solution解き方
8.59 mm
Exercise 54問題 54
A large uniform cylindrical steel rod of density is 2.0 m long and has a diameter of 5.0 cm. The rod is fastened to a concrete floor with its long axis vertical. What is the normal stress in the rod at the cross-section located at (a) 1.0 m from its lower end? (b) 1.5 m from the lower end?
英語のヒント
密度の一様な鋼の円柱は、長さ2.0 m、直径5.0 cmである。長軸を鉛直にして、コンクリートの床に固定してある。(a) 下端から1.0 m、(b) 下端から1.5 mの位置の断面で、棒の垂直応力はいくらか。
Exercise 55問題 55
A 90-kg mountain climber hangs from a nylon rope and stretches it by 25.0 cm. If the rope was originally 30.0 m long and its diameter is 1.0 cm, what is Young’s modulus for the nylon?
英語のヒント
質量90 kgの登山者がナイロン製ロープにぶら下がると、ロープは25.0 cm伸びた。元の長さが30.0 m、直径が1.0 cmなら、ナイロンのヤング率はいくらか。
Solution解き方
Exercise 56問題 56
A suspender rod of a suspension bridge is 25.0 m long. If the rod is made of steel, what must its diameter be so that it does not stretch more than 1.0 cm when a truck passes by it? Assume that the rod supports all of the weight of the truck.
英語のヒント
つり橋のつり棒は長さ25.0 mで、鋼でできている。質量のトラックが通り過ぎても伸びが1.0 cmを超えないためには、棒の直径はいくら必要か。棒がトラックの重さをすべて支えるものとする。
Exercise 57問題 57
A copper wire is 1.0 m long and its diameter is 1.0 mm. If the wire hangs vertically, how much weight must be added to its free end in order to stretch it 3.0 mm?
英語のヒント
長さ1.0 m、直径1.0 mmの銅線を鉛直につるす。3.0 mm伸ばすには、自由端にどれだけの重さを加えればよいか。
Solution解き方
259.0 N
Exercise 58問題 58
A 100-N weight is attached to a free end of a metallic wire that hangs from the ceiling. When a second 100-N weight is added to the wire, it stretches 3.0 mm. The diameter and the length of the wire are 1.0 mm and 2.0 m, respectively. What is Young’s modulus of the metal used to manufacture the wire?
英語のヒント
天井からつるした金属線の自由端に、重さ100 Nのおもりを付ける。さらに100 Nのおもりを付けると、線は3.0 mm伸びる。線の直径は1.0 mm、長さは2.0 mである。この線を作った金属のヤング率はいくらか。
Exercise 59問題 59
The bulk modulus of a material is What fractional change in volume does a piece of this material undergo when it is subjected to a bulk stress increase of Assume that the force is applied uniformly over the surface.
英語のヒント
ある材料の体積弾性率はである。体積応力が増したとき、体積はどれだけの割合で変化するか。力は表面全体に一様に加わるものとする。
Solution解き方
0.01%
Exercise 60問題 60
Normal forces of magnitude are applied uniformly to a spherical surface enclosing a volume of a liquid. This causes the radius of the surface to decrease from 50.000 cm to 49.995 cm. What is the bulk modulus of the liquid?
英語のヒント
液体を囲む球面に、垂直な力を一様に加える。その結果、球面の半径が50.000 cmから49.995 cmへ減る。この液体の体積弾性率はいくらか。
Exercise 61問題 61
During a walk on a rope, a tightrope walker creates a tension of in a wire that is stretched between two supporting poles that are 15.0 m apart. The wire has a diameter of 0.50 cm when it is not stretched. When the walker is on the wire in the middle between the poles the wire makes an angle of below the horizontal. How much does this tension stretch the steel wire when the walker is this position?
英語のヒント
15.0 m離れた2本の支柱の間に張った鋼線を綱渡りの人が歩くと、鋼線に張力が生じる。伸びていないときの鋼線の直径は0.50 cmである。人が支柱のちょうど中間にいると、鋼線は水平より下向きの角度をなす。この位置に人がいるとき、張力によって鋼線はどれだけ伸びるか。
Solution解き方
1.44 cm
Exercise 62問題 62
When using a pencil eraser, you exert a vertical force of 6.00 N at a distance of 2.00 cm from the hardwood-eraser joint. The pencil is 6.00 mm in diameter and is held at an angle of to the horizontal. (a) By how much does the wood flex perpendicular to its length? (b) How much is it compressed lengthwise?
英語のヒント
鉛筆の消しゴムを使うとき、硬い木材と消しゴムの接合部から2.00 cmの位置に、鉛直方向の6.00 Nの力を加える。鉛筆の直径は6.00 mmで、水平に対しての角度で持っている。(a) 木の部分は、長さに垂直な方向にどれだけたわむか。(b) 長さ方向にはどれだけ圧縮されるか。
Exercise 63問題 63
Normal forces are applied uniformly over the surface of a spherical volume of water whose radius is 20.0 cm. If the pressure on the surface is increased by 200 MPa, by how much does the radius of the sphere decrease?
英語のヒント
半径20.0 cmの球状の水の表面全体に、垂直な力を一様に加える。表面の圧力を200 MPa増すと、球の半径はどれだけ減るか。
Solution解き方
0.63 cm
bulk modulus
体積弾性率
elastic modulus for the bulk stress
英語のヒント
体積応力に対する弾性率。
bulk strain
体積ひずみ
(or volume strain) strain under the bulk stress, given as fractional change in volume
英語のヒント
体積応力によるひずみ。体積変化の割合で表す。
bulk stress
体積応力
(or volume stress) stress caused by compressive forces, in all directions
英語のヒント
あらゆる方向からの圧縮力によって生じる応力。
compressibility
圧縮率
reciprocal of the bulk modulus
英語のヒント
体積弾性率の逆数。
compressive strain
圧縮ひずみ
strain that occurs when forces are contracting an object, causing its shortening
英語のヒント
物体を縮める力によって生じるひずみ。物体の長さが短くなる。
compressive stress
圧縮応力
stress caused by compressive forces, only in one direction
英語のヒント
一方向の圧縮力によって生じる応力。
elastic modulus
弾性率
proportionality constant in linear relation between stress and strain, in SI pascals
英語のヒント
応力とひずみの線形関係における比例定数。SI単位はパスカル。
normal pressure
通常の圧力
pressure of one atmosphere, serves as a reference level for pressure
英語のヒント
1気圧の圧力。圧力の基準となる。
pascal (Pa)
パスカル(Pa)
SI unit of stress, SI unit of pressure
英語のヒント
応力および圧力のSI単位。
pressure
圧力
force pressing in normal direction on a surface per the surface area, the bulk stress in fluids
英語のヒント
表面に垂直に押す力を、その面積で割った量。流体における体積応力。
shear modulus
剛性率
elastic modulus for shear stress
英語のヒント
せん断応力に対する弾性率。
shear strain
せん断ひずみ
strain caused by shear stress
英語のヒント
せん断応力によって生じるひずみ。
shear stress
せん断応力
stress caused by shearing forces
英語のヒント
せん断力によって生じる応力。
strain
ひずみ
dimensionless quantity that gives the amount of deformation of an object or medium under stress
英語のヒント
応力を受ける物体や媒質の変形の程度を表す無次元量。
stress
応力
quantity that contains information about the magnitude of force causing deformation, defined as force per unit area
英語のヒント
変形を起こす力の大きさについての情報を持つ量。単位面積当たりの力として定義する。
tensile strain
引張ひずみ
strain under tensile stress, given as fractional change in length, which occurs when forces are stretching an object, causing its elongation
英語のヒント
引張応力によるひずみ。長さの変化の割合で表す。力が物体を引き伸ばし、伸びが生じるときに現れる。
tensile stress
引張応力
stress caused by tensile forces, only in one direction, which occurs when forces are stretching an object, causing its elongation
英語のヒント
一方向の引張力によって生じる応力。力が物体を引き伸ばし、伸びが生じるときに現れる。
Young’s modulus
ヤング率
elastic modulus for tensile or compressive stress
英語のヒント
引張応力または圧縮応力に対する弾性率。