材料力学：応力とは何か

今日は、工学や機械の仕組みで重要な概念の1つである応力を学びます。物体に力が作用していれば応力が存在し、計算もできます。その意味で、日常のほぼすべての物体には応力が加わっているといえます。

応力とは何か？

まず定義を見ましょう。応力は単位面積A当たりに作用する力Pと定義され、ギリシャ文字のシグマσで表します。応力は均一に分布する場合も、場所ごとに強さが違う場合もあります。

式で表すと次のとおりです。

σ = P/A

上の図1を例にします。断面mnに作用する応力が、面積全体に均一に分布するとしましょう。この応力の合力は、応力の大きさと棒の断面積Aを掛けた値になります。先ほどの説明を式にすると、P/A = σです。

これは、任意の断面形状を持ち、軸方向に荷重が加わる棒の均一応力の大きさを示します。

応力の種類：
引張応力と圧縮応力

力Pによって棒が伸びるなら、引張応力が作用しているといいます。

力の向きが逆になって棒が圧縮されるなら、圧縮応力です。垂直応力は切断面に垂直に作用する一方、
せん断応力は表面に平行に作用します。


引張応力は一般に正、
圧縮応力は負と定義します。
垂直応力σは軸方向の力を断面積で割った値なので、力の単位を面積の単位で割った単位を持ちます。

応力は通常、重量ポンド毎平方インチ（psi）やキロ重量ポンド毎平方インチ（ksi）で表します。

単位換算：

SI単位を使う場合、
力はニュートン（N）、
面積は平方メートル（m²）で表します。

したがって、応力の単位はニュートン毎平方メートル（N/m²）で、パスカル（Pa）と同じです。

パスカルは非常に小さい単位なので、通常はメガパスカル（MPa）など大きな倍量単位を使います。

参考として、SI単位の接頭語K（キロ）は1000倍、M（メガ）は1000×1000倍を意味します。記憶容量で「何キロバイト」「何メガバイト」と言いますよね。その接頭語もここから来ています。

棒の応力が1.91 ksiなら、SI単位では約13.2 MPa、つまり13.2 x 10^6 Paです。（10^6は10を6回掛けることです。）

SIでは推奨されませんが、応力をニュートン毎平方ミリメートル（N/mm²）で表すこともあります。これはメガパスカル（MPa）と同じ単位です。

今日は応力の基本概念と単位換算についてお話ししました。この基礎知識は、材料科学や建築以外の多くの分野でも役立ちます。

それでは次の記事でお会いしましょう。

出典：[1] Mechanics of materials, JM Gere, BJ Goodno et. al - 2012 - Cengage learning