ようこそ材料力学の世界へ!

教官 松永泰弘

  

ちからくんとひずみちゃんのお話が本になったゾ〜!

通信教育「材料力学入門〜基礎と応用〜」(技術情報協会)

e-mail:断面二次モーメントについて教えてください。(掲載許可)

e-mail:豆腐は形状をたもちにくいし、くずれやすいけど?

e-mail:シャルピー衝撃値は材料の性質とどのような関係があるのでしょうか?(掲載許可)

小学生にもできる材料力学実験

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君も仮想断面(Imaginary Surface)を理解して材料力学マスターだ!

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小学生にもできる材料力学実験

1.さあ実験開始です。黒板の前に集合!黒板の所のチョークを取らずに3本のチョークを用意して下さい。
 チョークを引っ張って下さい。
 チョークをねじって下さい。
 チョークを曲げて下さい。
破壊の断面が違うことに気づきましたか?
なぜそのようになるのか?を考えて下さい。

2.さあ実験開始です。わりばしを2本、用意して下さい。
 このわりばしを半分の長さになるように折り曲げて下さい。
 もう1本も折り曲げるのですが、厚さ方向に折り曲げた人は幅方向に、幅方向に折り曲げた人は厚さ方向に折り曲げて下さい。
折り曲げるのに必要な力の違いに気づきましたか?
なぜそのようになるのか?を考えて下さい。

3.さあ実験開始です。段ボール箱を用意して下さい。長さ、幅をそろえて4枚の帯板を作ります。
 2つの机の間に、2枚を重ねて置き、真ん中におもりを載せていきます。壊れるまでおもりの重さを増やして下さい。
 次に残りの2枚を同じように重ねますが、のりでくっつけてしまいましょう。
壊れたときのおもりの重さの違いに気づきましたか?
なぜそのようになるのか?を考えて下さい。


君も仮想断面(Imaginary Surface)を理解して材料力学マスターだ!だ!!ダダ〜ン

 チョークを引っ張り、加える力を徐々に増加していくと、チョークはほとんど変形することなく破壊にいたります。そのとき、破壊断面はチョークを引っ張った方向に(すなわちチョークの軸に)垂直な断面となります。ここで、

破壊する前にその断面の部分ではどのような力を生じていたんや?

という疑問が出てきます。断面の左側のチョークには、私の左手により左に引っ張る力が加わっています。もし、断面の左側のチョークが、断面の右側のチョークから断面を通して何らかの力を受けていなければ、左側のチョークは左に飛んでイスタンブールです。(ハハハ・・・)ところが、破壊するまでは、その断面上で両側のチョークはくっついています。ということは、左側のチョークの断面に加わっていた、右側のチョークから断面を通して受ける力は、私の左手により左に引っ張る力と同じ大きさの力が右の方向に生じていたことになります。同じことが断面の右側のチョークにもいえます。右側のチョークの断面に加わっていた、左側のチョークから断面を通して受ける力は、私の右手により右に引っ張る力と同じ大きさの力が左の方向に生じていたことになります。断面を通してお互いの材料がくっついていることにより生じる、大きさが同じで向きが逆向きの2つの力は作用・反作用(物体の相互作用)の関係にあります。このような力を内力(Internal Force)といいます。また、破壊する前に考えた断面を、仮想断面(Imaginary Surface)といいます。疑問に対して回答できるようになりましたか?

 ちから「同じ位置の断面なのに、左側のチョークの断面と右側のチョークの断面とでは、生じる力の向きが逆なんやね。」

 ひずみ「同じ位置の断面に生じる力なのに、逆向きなんて不便じゃん。」

 ちから「そうや。それなら、引っ張るときと縮めるときで区別して考えればいいやんけ。」

 ひずみ「そうか。簡単じゃん。じゃーね、破壊するってことは、生じる内力に限界があるってことね。」

 ドクM「ちからくん、いいところに気がついたね。右向きの力を正(+)というように定義すると、±が混在して不便ですね。これからは、チョークが伸びるようにはたらく2つの力を引張(+)、縮めるような力の組み合わせを圧縮(−)で区別します。破壊についてのひずみさんの意見もすばらしいね。チョークに耐えうる力の限界があるということですね。」

応力ってなんや?

 上のように、破壊する前に断面(仮想断面)に生じていた力が内力(Internal Force)なのですが、もっとわかりやすく説明するために、破壊したチョークをボンドでくっつけてみて下さい。このチョークを再度、引っ張ります。力を加えても飛んでイスタンブールということはありません。このときのボンドによる力が内力です。尾も白いですね。(ハハハ・・・)

 次に、2本のチョークをまとめて引っ張ってみます。先ほどより大きな力を加えてもなかなか破壊しません。1本のときの2倍の力で破壊します。

 ちから「当然やろ。1本あたりの力を考えればいいんや。」

 ひずみ「だけど、違う色のチョークや太さの違うチョークなら、2倍にならないんじゃないの。」

 ちから「ひずみちゃん、そんな屁理屈いわんといて。臭うやろ。」(ハハハ・・・)

 ドクM「ちからくん、いいところに気がついたね。先ほどのひずみさんの意見も参考にすると、全体にかかる力の比較で破壊を推測するというよりは、1本あたりの力で破壊するかどうかを推測することができるんだね。でもね、ひずみさんの意見の中にも宝の山が隠されていると思うよ。チョークの材質や形状(長さ、太さ)について考えたらむずかしいかな?」

 ちから「そやかて、内力を考えるときに、材質は関係なかったやんけ。」

 ひずみ「長さや太さも関係なかったわ。」

 ちから「そうや、1本あたりの力の強さやチョークの強さを考えると、関係するんや。でも、長さは関係ないんね。」

 ひずみ「そうね、1本あたりの力の代わりに、面積あたりの力で比較すれば、力の強さは比較できるんじゃないの。そうすれば、太さも関係なくなるわ。」

 ちから「ええ考えや。圧力と似ているやんけ。チョークのなかの圧力みたいなもんや。」

 ひずみ「そういえば、この間、私がちょっと足を踏みつけたら、ちからくんは死にそうな声をあげていたわね。ごっつい圧力やとか言っちゃって、レディーにむかって失礼だわ。」

 ちから「そやかて、ひずみちゃんはハイヒールはいてたやんけ。足に穴があくかと思ったでー。わいの足にも限界があるってことやで。」

 ひずみ「生じる内力というよりも、チョークのなかに生じる圧力に限界があるってことね。」

チョークのなかに生じる面積当たりの内力を応力(stress)といいます。長さ・太さが違っても、材質


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