- 科目
- 材料力学
- 章
- はりの曲げ
- 図番
- 07 / 22
- 内容
- シミュレータ・例題4問
割り箸は、なぜ外側から割れる?曲げ応力の式
割り箸は、なぜ外側から割れるのか。伸び縮みは中立軸からの距離に比例し、帯の「力 × 距離」を全部足すと I が出て、曲げモーメント M と釣り合う。そこから σ = My/I が出てくる道すじ。

このページの内容
この単元のポイント
- 曲げると、外側は伸び、内側は縮みます。伸び縮みは、中立軸からの距離 に比例します()。
- 帯の「力 × 距離」を全部足すと、断面二次モーメント が出てきて、曲げモーメント と釣り合います。そこから 。
- 幅 30 mm・高さ 60 mm の鋼の棒に 1 kN·m をかけると、縁の応力は 55.6 MPa。同じ棒を寝かせると、2倍になります。
割り箸は、なぜ外側から割れる?
割り箸を両手で曲げると、ひびは、曲げた外側から入ります。内側には、ひびが入りません。

外側の材料が、いちばん大きく引き伸ばされているからです。
でも、これだけでは足りません。外側には、どれだけの応力がかかっているのでしょうか。それを計算するのが、この単元の曲げ応力の式です。
予想してから読む幅 30 mm・高さ 60 mm の鋼の棒を、立てて曲げます。同じ棒を寝かせて(高さ 30 mm にして)同じ曲げモーメントをかけると、縁の応力は何倍?
曲げると、外側が伸び、内側が縮む
割り箸の側面に、同じ間隔で細い線を引いておきます。曲げると、外側の線の間隔は広がります。内側の線の間隔は狭まります。
外側は伸び、内側は縮むのです。
割り箸では目に見えないほど小さな伸び縮みです。厚いスポンジで大きく曲げると、目で見えます。

伸びるところと縮むところのあいだに、長さの変わらない線が1本あります。図心(断面の中心) の単元で見た、中立軸です。中立軸は、断面の図心を通ります。割り箸の長方形の断面なら、ちょうど真ん中です。
では、どれだけ伸び縮みするのか。これも図心の単元で、扇の絵で見ました。扇を開くと、外側ほど大きく広がります。伸び縮みは、中立軸からの距離に比例するのでした。
この比例の関係を、式に書きます。
伸びの割合は、距離 ÷ 曲率半径
まず、曲がり具合を数で表します。曲がった割り箸を、大きな円の一部と見ます。ゆるく曲げると大きな円、急に曲げると小さな円になります。
この円の半径を、曲率半径と言います。記号は (ロー)です。急に曲げるほど、小さくなる数です。
曲がった部分を、扇の形に切り出します。中立軸の円弧は、半径 です。中立軸から外側へ 離れた円弧は、半径 です。
同じ開きの扇なら、円弧の長さは半径に比例します。簡単な数で見ます。半径 100 の円弧と、半径 101 の円弧です。
外側の円弧は 1.01 倍の長さで、1% 伸びています。この 1% は、、つまり「距離 ÷ 半径」です。
同じことを式で確かめます。ひずみは、伸びを元の長さでわったものでした(応力とひずみ)。元の長さは中立軸の円弧、伸びは外側の円弧との差です。円弧の長さは、半径 × 開き です。
開き は上にも下にもあるので、約分で消えます。上は から を引くので、 だけが残ります。
ひずみは、中立軸からの距離 に比例します。扇で見たとおりです。急に曲げて が小さくなっても、ひずみは大きくなります。

応力も、距離に比例する
ひずみが分かれば、応力が出ます。フックの法則と縦弾性係数 の単元の式です。
は材料の伸びにくさで、鋼なら 206 GPa です。 のところに、 を入れます。
と は、断面のどこでも同じです。変わるのは だけです。だから、応力も中立軸からの距離に比例します。
中立軸で 0。外側へ行くほどまっすぐ大きくなり、縁で最大です。内側も同じように大きくなります。ただし向きは逆で、押しつぶす向き(圧縮)です。
この式で、ほとんどまっすぐな鋼の棒の、縁の応力を出してみます。棒の高さは 60 mm で、縁は中立軸から 30 mm です。曲率半径は 100 m、つまり 100,000 mm。見た目には、まっすぐです。
使う式は2つです。
まっすぐに見えても、縁にはこれだけの応力が出ています。
割り箸に戻ります。外側の縁は、中立軸からいちばん遠い場所です。だから、応力がいちばん大きくなります。しかも、引き伸ばされる向きです。ひびは、そこから入ります。
木は、縮められるほうが少し弱く、内側が先にしわのようにつぶれることもあります。それでも、最後にパキッと裂けるのは、引き伸ばされる外側です。ガラスや定規のプラスチックは、引き伸ばされるほうがずっと弱いので、外側から割れます。
帯の回す効き目を、全部足す
ここまでの式には、曲率半径 が入っています。でも、はりの曲がり具合を先に測ることは、ふつうありません。
先に分かるのは、はりにかかる荷重です。荷重からは、せん断力図と曲げモーメント図 の単元の図で、曲げモーメント が求まります。
前の単元では、はりを切って、片側をシーソーと見ました。切り口のまわりに片側を回そうとする「力 × 距離」。それが曲げモーメント でした。
では、断面の中でこの を受け止めているのは、何でしょうか。
断面を、横に薄い帯に切ります。図心の単元と同じ帯です。1本の帯の応力は 。応力は面積あたりの力なので、帯の力は「応力 × 帯の面積」です。
この力は、中立軸を支点にして、断面を回そうとします。回す効き目は、シーソーと同じ「力 × 距離」です。
帯の力は、距離に比例しました。そこへ、もう1度距離をかけます。簡単な数で見ます。同じ面積の帯が2本、中立軸からの距離は 1 と 2 です。
距離が2回かかるので、回す効き目は距離の2乗に比例します。
中立軸より上の帯は押す力、下の帯は引く力です。押す力と引く力は、図心の単元で見たとおり、合計すると打ち消し合います。
でも、回す向きは、どちらも同じです。シーソーの片側を押し下げて、反対側を引き上げると、同じ向きに回るのと同じです。だから、帯の回す効き目を全部足したものが、 を受け止めます。
式に書きます。帯ごとに、応力 × 面積で力。それに距離をかけて、全部足します。
は、どの帯でも同じです。足し算の外へ出せます。
残ったのは、距離の2乗 × 帯の面積を、全部足したものです。この形は、断面二次モーメント の単元で出てきました。
断面二次モーメントの単元では「帯の力は距離に比例する」と言いました。その比例の数の正体が、 です。まとめると、次の式です。
ρ を消して、曲げ応力の式にする
ここで、式が2つそろいました。
どちらにも、 が入っています。右の式の両辺を、 でわります。右辺の は約分で消えます。
左の式の のところに、 を入れて、並べかえます。
これが、曲げ応力の式です。 が消えて、荷重から求まる から、応力を出せるようになりました。
言葉で読むと、応力は「曲げモーメント × 距離」を、断面二次モーメントでわったものです。
- 曲げモーメント 大きいほど、断面の応力は全体に大きくなります。割り箸を強く曲げるほど、折れに近づくのと同じです。
- 断面二次モーメント 大きいほど、応力は小さくなります。立てた定規が曲がりにくいのと同じです。
- 距離 中立軸から遠いほど、応力は大きくなります。いちばん大きいのは縁です。
鋼の棒で、確かめる
この式で、鋼の棒の縁の応力を出してみます。断面は幅 30 mm、高さ 60 mm。断面二次モーメントの単元と同じ棒です。曲げモーメントは 1 kN·m。せん断力図と曲げモーメント図 の単元のはりの、おもりの真下の値です。
使う式を、先に置きます。
まず、単位を N と mm にそろえます。1 kN は 1,000 N、1 m は 1,000 mm です。
は、中立軸から縁まで。高さの半分で 30 mm です。 は、断面二次モーメントの単元で求めた数です。
3つの枠に、数を入れます。
鋼が元に戻らなくなる応力を、少し低めに見て 235 MPa とします。55.6 MPa は、そのおよそ4分の1。まだ余裕があります。
では、同じ棒を寝かせて使うと、どうなるでしょうか。高さは 30 mm になります。縁までの は、半分の 15 mm。 は高さの3乗で効くので、立てたときの4分の1です。
は 2分の1、 は 4分の1。 でわるので、応力は 倍です。同じ棒でも、寝かせると縁の応力は2倍になります。
桁を大きく狂わせやすいのが、m と mm の取り違え
を N·m、 を m で入れたのに、 だけ mm⁴ の 540,000 をそのまま使ってしまう。すると答えは、ほとんど 0。正しい答えの1兆分の1です。
は長さの4乗です。1 m は 1,000 mm なので、ずれも 1,000 の4乗、(1兆)倍です。N と mm にそろえておけば、答えはそのまま MPa(N/mm²)で出ます。
縁の応力は、M ÷ Z
縁では です。 をかけることは、 でわることと同じなので、分母へ移せます。
分母の は、断面の形だけで決まる量です。断面係数と言います。これを使うと、縁の応力は1回のわり算で出ます。丸棒・管・H形の断面係数と、形の比べ方は、次の 断面係数(形の効率) の単元で扱います。
長方形なら、 を でわって、 です。さっきの棒は で、。 の答えと同じです。
どの数字がいちばん効く?
縁の応力 で、それぞれの数字を1割(10%)だけ変えたときの変化です。
| 変えるもの | 縁の応力の変化 | 理由 |
|---|---|---|
| 曲げモーメント を10%大きく | +10% | 1乗 |
| 断面の高さ を10%高く | −17% | 2乗で効く(1 / 1.1² ≒ 0.83) |
| 断面の幅 を10%広く | −9% | 1乗(1 / 1.1 ≒ 0.91) |
| 材料の硬さ を変える | 0% | に は入っていない |
高さは、幅の約2倍効きます(17% と 9%)。同じ量の材料を使うなら、幅を広げるより、高さを出すほうが縁の応力を下げられます。立てた棒()と寝かせた棒()で、応力が2倍ちがったのもこのためです。
動かしてみよう
このシミュレータは、曲がり方(曲率 )を決めて、断面の応力を見ます。上の計算は を決めた比べ方でした。どちらを決めるかで、高さの効き方が逆になるので、気をつけて見てください。
初期値は、ポイントの棒(幅 30 mm・高さ 60 mm の鋼)を、縁の応力が 55.6 MPa(M は約 1 kN·m)になるだけ曲げたところです。
まず、曲がりの強さを動かして、断面の応力の三角形が、中立軸で 0、縁で最大のまま、大きさだけ変わることを見てください。
次に、高さ を大きくします。同じだけ曲げるなら、縁が中立軸から遠くなるので、縁の応力は大きくなります()。そのとき、曲げるのに要る は、もっと大きく増えています。
試してみよう0 / 3
- 位置 y を2倍の 20 mm にして、その位置の応力を見る(まだ)
- y を 10 mm に戻し、高さ h を2倍の 120 mm にして、縁の応力と M を見る(まだ)
- 棒を寝かせる:高さ h を 30 mm、幅 b を 60 mm にして、曲がりの強さを2倍の 0.018 にする(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 曲率半径
- 縁のひずみ
- 位置 y の応力
- 最大曲げ応力
- 曲げモーメント
- 断面二次モーメント
- 断面係数
途中の計算(導出)を見る
曲率半径(曲がりの強さの逆数)
縁のひずみ(中立軸から h/2 離れた、いちばん外側の材料の伸び縮み)
縁の応力(フックの法則)
位置 y の応力(ひずみは y に比例するので、応力も y に比例する)
断面二次モーメント(長方形断面)
曲げモーメント(断面全体で足し合わせた、力のモーメント)
確かめ:M ÷ 断面係数 が、縁の応力と同じになる
つまり、ものを作るときは
かかる が決まっている部材(棚・橋げた・機械のはり)は、縁の応力を小さくします。応力は なので、 を大きく(高く、あるいは中空に)します。
反対に、曲がり方が決まっている部材(しならせて使うばね)は、薄いほど縁の応力が小さくなります。厚さ 1 mm の鋼板は半径 438 mm まで、厚さ 10 mm では 4,383 mm までしか、元に戻る範囲で曲がりません(235 MPa の目安)。
トラックの板ばねは、薄い鋼板を何枚も重ねています。1枚の厚い板にすると、同じだけしなったときに縁の応力が大きくなって折れます。薄い板を重ねて、戻る範囲で大きくしならせています。

よくある勘違い
「曲げの応力も、断面のどこでも同じ」
引っ張りの応力は、断面のどこでも同じでした。曲げの応力は違います。縁で大きく、中立軸では 0 です。中立軸の近くの材料は、あまり働いていません。
H形鋼が、真ん中の材料を減らして上下の縁に集めているのは、このためです。
「硬い材料に替えれば、縁の応力は下がる」
曲げ応力の式 には、硬さの が入っていません。 が決まっていれば、縁の応力は材料によらず同じです。
変わるのは、曲がり方のほうです。 なので、やわらかい材料ほど、大きく曲がります。
「中立軸は、いつも断面の真ん中にある」
中立軸は、断面の図心を通ります。上下対称の断面なら真ん中ですが、T形や山形の断面では、真ん中より片側に寄ります。
「ひずみと応力は、同じもの」
| 言葉 | 意味 | この単元の式 |
|---|---|---|
| ひずみ | 材料が伸び縮みした割合(単位なし) | |
| 応力 | 材料の中で、面にかかる力の大きさ(MPa) |
ひずみは「どれだけ伸びたか」、応力は「どれだけの力がかかっているか」です。 をかけると、ひずみから応力になります。
この単元で使う前提
- 純曲げ(曲げモーメントだけがかかり、せん断力は考えない)。せん断力もあるはりでも、細長いはりなら、この式で十分によい近似になります。
- 材料は弾性の範囲(フックの法則が成り立つ)。
- 断面は、曲げる前も後も平らなまま。
- 上下対称の断面で、荷重は対称面の中にある。
中立軸が図心を通る理由と、平らなままの仮定(くわしく知りたい人へ)
中立軸が図心を通る理由:曲げモーメントだけがかかるとき、断面の帯の力を全部足すと 0 です(決まり1:押す力 = 引く力)。
になるのは、 を測る基準の線が図心を通るときです(図心の単元の、シーソーの釣り合い)。だから、中立軸は図心を通ります。
断面が平らなまま、という仮定:曲げても、断面が平面のまま、棒の軸に垂直のままだと仮定しています(ベルヌーイ・オイラーの仮定)。この仮定があるから、断面の切り口が扇の半径の線になり、ひずみが に比例します。細長いはりでは、実験でもよく成り立ちます。
例題
例題1 曲げた鋼の棒
幅 30 mm、高さ 60 mm の長方形断面の鋼の棒(縦弾性係数 206 GPa)を、曲率半径 100 m の円弧に曲げます。
(1) いちばん外側の材料のひずみ。(2) そこの応力。(3) 中立軸から 20 mm のところの応力。(4) 曲げるのに必要な曲げモーメント。
ヒント 1 / 2
縁のひずみは 、応力はフックの法則 で出します。M は です。
ヒント 2 / 2
縁までの距離は 30 mm。曲率半径は mm に直して 100 m = 100,000 mm です。
答えと解き方を見る
曲率半径(曲がりの強さの逆数)
縁のひずみ(中立軸から h/2 離れた、いちばん外側の材料の伸び縮み)
縁の応力(フックの法則)
位置 y の応力(ひずみは y に比例するので、応力も y に比例する)
断面二次モーメント(長方形断面)
曲げモーメント(断面全体で足し合わせた、力のモーメント)
確かめ:M ÷ 断面係数 が、縁の応力と同じになる
100 m の円弧は、ほとんどまっすぐです。それでも、外側の材料は 0.03% 伸びて、61.8 MPa の応力が出ています。
応力は、中立軸からの距離に比例します。20 mm は縁(30 mm)の 3分の2 なので、応力も 3分の2 です。
例題2 薄い板は、小さな半径まで曲がる
鋼の板(縦弾性係数 206 GPa)を曲げます。縁の応力が 235 MPa(鋼が永久に曲がりはじめる目安)に達する曲率半径を、厚さ 1 mm の板と、厚さ 10 mm の板で求めます。
縁のひずみは t/(2ρ) で、応力は E 倍です(t は板の厚さ)。
ヒント 1 / 2
縁の応力 を、 について解きます。
ヒント 2 / 2
206 GPa = 206,000 N/mm² として、 に入れます。
答えと解き方を見る
厚さが 10倍になると、同じ応力で曲げられる半径も 10倍です。厚い板ほど、ゆるくしか曲がりません。
薄い定規が直径 90 cm ほどの輪にまで曲がって元に戻るのに、厚い板は少し曲げただけで戻らなくなるのは、このためです。
例題3 曲げモーメントから、応力と曲がりを出す
幅 30 mm、高さ 60 mm の鋼の棒(縦弾性係数 206 GPa)に、曲げモーメント 1,000,000 N·mm(1 kN·m)がかかっています。
(1) 縁の応力(M ÷ Z)。(2) 曲率半径。(3) 中立軸から 20 mm のところの応力。
ヒント 1 / 2
縁の応力は (長方形は )。曲率半径は から出します。
ヒント 2 / 2
、 mm⁴ です。
答えと解き方を見る
断面係数は Z = b h² / 6 = 18,000 mm³ です。1 kN·m で、縁の応力は 55.6 MPa。鋼の降伏の目安 235 MPa には、まだ余裕があります。
曲率半径は 111 m。曲がりは、見た目にはほとんど分かりません。
例題4 せん断力図の例題の棒は、どこまで耐える?
せん断力図と曲げモーメント図の単元の例題1の棒です。長さ 1.2 m の鋼の角棒(幅 30 mm、高さ 60 mm)を2つの台に渡し、左の台から 0.3 m のところに 2.4 kN のおもりをつるしました。曲げモーメントの最大は、おもりの真下で 0.54 kN·m でした。
(1) おもりの真下の断面で、縁にかかる曲げ応力。上の縁と下の縁は、それぞれ引張と圧縮のどちらか。(2) 同じ棒を寝かせて(高さ 30 mm にして)使ったときの、縁の応力。
ヒント 1 / 2
に、N と mm にそろえた数を入れます。寝かせたときは、 と の両方が変わります。
ヒント 2 / 2
0.54 kN·m = 540,000 N·mm。立てた棒の縁までの は 30 mm、 は 540,000 mm⁴ です。
答えと解き方を見る
0.54 kN·m = 540,000 N·mm。立てた棒の I は 540,000 mm⁴、縁までの y は 30 mm なので、σ = 540,000 × 30 ÷ 540,000 = 30 MPa です。
おもりで棒は下に凸に曲がるので、下の縁が伸び(引張)、上の縁が縮みます(圧縮)。
寝かせると y は半分、I は4分の1なので、応力は2倍の 60 MPa。本文の「鋼の棒で、確かめる」と同じ比です。