第12章静的つり合いと弾性
12.3 Stress, Strain, and Elastic Modulus12.3 応力、ひずみ、弾性率
Learning Objectives学習目標
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By the end of this section, you will be able to:
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この節を終えると、次のことができるようになる。
- Explain the concepts of stress and strain in describing elastic deformations of materials
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材料の弾性変形を記述する応力とひずみの概念を説明する。 - Describe the types of elastic deformation of objects and materials
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物体や材料の弾性変形の種類を説明する。
A model of a rigid body is an idealized example of an object that does not deform under the actions of external forces. It is very useful when analyzing mechanical systems—and many physical objects are indeed rigid to a great extent. The extent to which an object can be perceived as rigid depends on the physical properties of the material from which it is made. For example, a ping-pong ball made of plastic is brittle, and a tennis ball made of rubber is elastic when acted upon by squashing forces. However, under other circumstances, both a ping-pong ball and a tennis ball may bounce well as rigid bodies. Similarly, someone who designs prosthetic limbs may be able to approximate the mechanics of human limbs by modeling them as rigid bodies; however, the actual combination of bones and tissues is an elastic medium.
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剛体のモデルは、外力を受けても変形しない物体を理想化したものである。力学系の解析で非常に有用であり、実際、多くの物体はかなり剛体に近い。どの程度まで剛体とみなせるかは、材料の物理的性質による。例えば、押しつぶす力を加えると、プラスチック製の卓球の球はもろく、ゴム製のテニスボールは弾性的である。しかし別の条件では、どちらも剛体のようによく弾む。同様に、義肢を設計するときは、人の手足を剛体としてモデル化し、その力学を近似できる場合がある。ただし、実際の骨と組織の組合せは弾性体である。
For the remainder of this chapter, we move from consideration of forces that affect the motion of an object to those that affect an object’s shape. A change in shape due to the application of a force is known as a deformation. Even very small forces are known to cause some deformation. Deformation is experienced by objects or physical media under the action of external forces—for example, this may be squashing, squeezing, ripping, twisting, shearing, or pulling the objects apart. In the language of physics, two terms describe the forces on objects undergoing deformation: stress and strain.
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この章の残りでは、物体の運動に影響する力から、形に影響する力へと話を移す。力を加えることで形が変わることを変形という。非常に小さな力でも、ある程度の変形を生む。物体や物理的な媒質は、外力によって押しつぶされ、圧縮され、裂かれ、ねじられ、せん断され、引き離されるなどの変形を受ける。物理では、変形する物体に働く力を述べるために、応力とひずみという二つの用語を使う。
Stress is a quantity that describes the magnitude of forces that cause deformation. Stress is generally defined as force per unit area. When forces pull on an object and cause its elongation, like the stretching of an elastic band, we call such stress a tensile stress. When forces cause a compression of an object, we call it a compressive stress. When an object is being squeezed from all sides, like a submarine in the depths of an ocean, we call this kind of stress a bulk stress (or volume stress). In other situations, the acting forces may be neither tensile nor compressive, and still produce a noticeable deformation. For example, suppose you hold a book tightly between the palms of your hands, then with one hand you press-and-pull on the front cover away from you, while with the other hand you press-and-pull on the back cover toward you. In such a case, when deforming forces act tangentially to the object’s surface, we call them ‘shear’ forces and the stress they cause is called shear stress.
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応力は、変形を引き起こす力の大きさを表す量で、一般に単位面積当たりの力として定義される。輪ゴムを伸ばすように、力で物体が長くなる場合を引張応力、物体を圧縮する場合を圧縮応力という。深海の潜水艦のように、すべての方向から押される場合は、体積応力という。力が引張りでも圧縮でもなく、それでも明らかな変形を生む場合もある。例えば、両手のひらで本を強く挟み、一方の手で表表紙を押さえながら向こうへ引き、他方の手で裏表紙を押さえながら手前へ引く。このように、変形させる力が物体の表面に接線方向に働く場合、その力をせん断力、生じる応力をせん断応力という。
The SI unit of stress is the pascal (Pa). When one newton of force presses on a unit surface area of one meter squared, the resulting stress is one pascal:
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応力のSI単位はパスカル(Pa)である。1平方メートルの面積に1ニュートンの力が加わると、応力は1パスカルとなる。
In the Imperial system of units, the unit of stress is ‘psi,’ which stands for ‘pound per square inch’ Another unit that is often used for bulk stress is the atm (atmosphere). Conversion factors are
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ヤード・ポンド法では、応力の単位にpsi、すなわち平方インチ当たりのポンドを使う。体積応力でよく使う別の単位は、atm(気圧)である。換算係数は次のとおりである。
An object or medium under stress becomes deformed. The quantity that describes this deformation is called strain. Strain is given as a fractional change in either length (under tensile stress) or volume (under bulk stress) or geometry (under shear stress). Therefore, strain is a dimensionless number. Strain under a tensile stress is called tensile strain, strain under bulk stress is called bulk strain (or volume strain), and that caused by shear stress is called shear strain.
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応力を受けた物体や媒質は変形する。その変形を表す量が、ひずみである。ひずみは、長さ(引張応力の場合)、体積(体積応力の場合)、形状(せん断応力の場合)の変化を、比として表す。したがって、無次元の数である。引張応力によるものを引張ひずみ、体積応力によるものを体積ひずみ、せん断応力によるものをせん断ひずみという。
The greater the stress, the greater the strain; however, the relation between strain and stress does not need to be linear. Only when stress is sufficiently low is the deformation it causes in direct proportion to the stress value. The proportionality constant in this relation is called the elastic modulus. In the linear limit of low stress values, the general relation between stress and strain is
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応力が大きいほどひずみも大きくなるが、両者の関係は必ずしも線形ではない。応力が十分小さいときに限り、変形は応力に正比例する。この関係の比例定数を弾性率という。応力が小さく線形近似が成り立つ範囲では、応力とひずみの一般的な関係は次式で表される。
As we can see from dimensional analysis of this relation, the elastic modulus has the same physical unit as stress because strain is dimensionless.
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この関係の次元解析から分かるように、ひずみは無次元なので、弾性率は応力と同じ物理単位を持つ。
We can also see from Equation 12.33 that when an object is characterized by a large value of elastic modulus, the effect of stress is small. On the other hand, a small elastic modulus means that stress produces large strain and noticeable deformation. For example, a stress on a rubber band produces larger strain (deformation) than the same stress on a steel band of the same dimensions because the elastic modulus for rubber is two orders of magnitude smaller than the elastic modulus for steel.
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式12.33から、弾性率が大きい物体では、応力の効果が小さいことも分かる。逆に弾性率が小さいと、同じ応力で大きなひずみと目立つ変形が生じる。例えば、同じ寸法のゴムの帯と鋼の帯に同じ応力を加えると、ゴムの方が大きくひずむ。ゴムの弾性率は鋼より2桁小さいためである。
The elastic modulus for tensile stress is called Young’s modulus; that for the bulk stress is called the bulk modulus; and that for shear stress is called the shear modulus. Note that the relation between stress and strain is an observed relation, measured in the laboratory. Elastic moduli for various materials are measured under various physical conditions, such as varying temperature, and collected in engineering data tables for reference (Table 12.1). These tables are valuable references for industry and for anyone involved in engineering or construction. In the next section, we discuss strain-stress relations beyond the linear limit represented by Equation 12.33, in the full range of stress values up to a fracture point. In the remainder of this section, we study the linear limit expressed by Equation 12.33.
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Material 材料 |
Young’s modulus ヤング率 |
Bulk modulus 体積弾性率 |
Shear modulus せん断弾性率 |
|---|---|---|---|
Aluminum アルミニウム |
7.0 |
7.5 |
2.5 |
Bone (tension) 骨(引張り) |
1.6 |
0.8 |
8.0 |
Bone (compression) 骨(圧縮) |
0.9 |
||
Brass 黄銅 |
9.0 |
6.0 |
3.5 |
Brick れんが |
1.5 |
||
Concrete コンクリート |
2.0 |
||
Copper 銅 |
11.0 |
14.0 |
4.4 |
Crown glass クラウンガラス |
6.0 |
5.0 |
2.5 |
Granite 花崗岩 |
4.5 |
4.5 |
2.0 |
Hair (human) 毛髪(人) |
1.0 |
||
Hardwood 硬材 |
1.5 |
1.0 |
|
Iron 鉄 |
21.0 |
16.0 |
7.7 |
Lead 鉛 |
1.6 |
4.1 |
0.6 |
Marble 大理石 |
6.0 |
7.0 |
2.0 |
Nickel ニッケル |
21.0 |
17.0 |
7.8 |
Polystyrene ポリスチレン |
3.0 |
||
Silk 絹 |
6.0 |
||
Spider thread クモの糸 |
3.0 |
||
Steel 鋼 |
20.0 |
16.0 |
7.5 |
Acetone アセトン |
0.07 |
||
Ethanol エタノール |
0.09 |
||
Glycerin グリセリン |
0.45 |
||
Mercury 水銀 |
2.5 |
||
Water 水 |
0.22 |