科目
材料力学
章
はりのたわみ
図番
10 / 22
内容
シミュレータ・例題3問
材料力学 10 / 22

棒を2倍長くすると、8倍下がる片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重)

棒を2倍長くすると、先端は8倍下がる。その理由と、たわみを小さくする作り方。

壁から突き出た角棒の先におもり。先へ行くほど下がり、先端がいちばん下がっている

まず触ってみる

数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。

このページの内容
  1. 壁から突き出した棒は、どれだけ下がる?
  2. 公式はこれ
  3. 公式を、3つのかたまりに分けて読む
  4. 「3」の出どころ 曲がりを、先端から見る
  5. 高さが3乗で効く理由 断面二次モーメント の中身
  6. どの数字がいちばん効く?
  7. 看板のアームに戻る
  8. 動かしてみよう
  9. よくある勘違い
  10. この公式が使える条件
  11. 例題

この単元のポイント

  1. 棒を2倍長くすると、先端は8倍下がる。
  2. 棒を2倍の高さにすると、たわみは8分の1になる。
  3. 強い材料に替えても、たわみは減らない。効くのは「硬さ」。

前の単元との違い前の単元で積分して出した P L3/(3 E I)\sP\,\sL^3/(3\,\sE\,\sI) を、使う側から読みます。どの数字が、どれだけ効くかを見ます。

壁から突き出した棒は、どれだけ下がる?

看板のアーム、棚受け、ロボットの腕、プールの飛び込み台。どれも、片方の端だけが壁や柱に固定されて、もう片方が空中に出ています。こういう棒を片持ちばりといいます。

片持ちばりの例。壁から突き出した看板のアーム、壁付けの棚受け、ロボットの腕、プールの飛び込み台
図 10-01どれも、片方の端だけが固定されています。

先に重さがかかると、先端が少し下がります。この下がった量がたわみ δ\sdelta です。

ロボットの腕なら、先端が 1 mm 下がるだけで部品をつかみ損ねます。壁に付けた棚なら、棚板の先が下がって、載せた本が傾きます。たわみは「壊れるかどうか」より手前で問題になる量です。

壁に固定した棚板の先が下がり、載せた本が先端側へ傾いている
図 10-02たわみは分かりやすいように大きく描いています。

この単元では、1本の看板のアームで考えます。店の壁から、鋼の角棒が 800 mm 突き出しています。断面は幅 15 mm、高さ 30 mm です。先に 200 N(約 20 kg)の看板をつるします。

先端は、何 mm 下がるでしょうか。

予想してから読むこの看板のアームを2倍の 1,600 mm に伸ばすと、先端の下がりは何倍になる?

公式はこれ

たわみの微分方程式と積分法 で、曲げモーメントを2回積み上げて出した式です。

δ=P L33 E I\sdelta = \dfrac{\sP\,\sL^3}{3\,\sE\,\sI}
記号 意味 看板のアームでは
P\sP 先にかかる重さ(荷重) 200 N
L\sL 壁から荷重までの長さ 800 mm
E\sE 材料の硬さ(縦弾性係数) 鋼 206 GPa(アルミなら 70 GPa)
I\sI 断面の形の曲がりにくさ(断面二次モーメント) 幅 b\sb・高さ h\sh の長方形なら b h3/12\sb\,\sh^3/12

公式を、3つのかたまりに分けて読む

この式は、3つの部分の掛け算になっています。

δ=P L⏟根元を曲げる力×1E I⏟曲がりやすさ×L23⏟長さで広がる\sdelta = \underbrace{\sP\,\sL}_{\text{根元を曲げる力}} \times \underbrace{\dfrac{1}{\sE\,\sI}}_{\text{曲がりやすさ}} \times \underbrace{\dfrac{\sL^2}{3}}_{\text{長さで広がる}}
  1. 根元を曲げる力 P L\sP\,\sL 根元で切って、先の部分をシーソーと見ます。力 × 距離で、根元の曲げモーメントは P L\sP\,\sL です(せん断力図と曲げモーメント図)。同じ重さでも、壁から遠いところにつるすほど、根元を強く曲げます。柄の長いスパナほど、ボルトがよく回るのと同じ「力 × 距離」です。

    柄の短いスパナと、柄の長いスパナ。同じ力で押しても、長い柄ほどボルトを回す力は大きい
    図 10-03同じ力でも、柄が長いほど、ボルトを回す力は大きくなります。
  2. 曲がりやすさ 1/E I1/\sE\,\sI 材料の硬さ E\sE と、断面の形 I\sI の掛け算が「曲がりにくさ」(曲げ剛性)です。分母にあるので、大きいほど曲がりません。

  3. 長さで広がる L2/3\sL^2/3 根元で少し傾くと、その傾きは先端まで続きます。腕が長いほど、先端で大きな「ずれ」になります。3 がどこから来るかは、次の節で見ます。

L\sL は、1つ目のかたまりに1回、3つ目のかたまりに2回出てきます。合わせて3回なので、L3\sL^3 になります。長さを2倍にすると、根元を曲げる力が2倍、先での広がりが4倍で、たわみは 2 × 4 = 8倍です。

長さ LPδ長さ 2L(2倍)P8δ根元を曲げる力 PL が 2倍 × 長さで広がる分 L²/3 が 4倍 = 8倍

「3」の出どころ 曲がりを、先端から見る

たわみの微分方程式と積分法 では、積分の 1/2 − 1/6 から 3 が出ました。ここでは、同じ 3 を、図心の単元のシーソーで見ます。

1. 1か所だけ曲がったとき。棒の途中の短い区間だけが、少し折れ曲がったとします。その先の部分は、まっすぐなまま、その折れ角だけ傾きます。

定規の根元を小さな角度だけ傾けると、先端は大きく下がる。中ほどの下がりは、先端よりずっと小さい
図 10-04根元のわずかな傾きが、先端では大きなずれになります。

定規の根元を少し傾けると、先が大きく動きます。先端の下がりは、次の掛け算です。

先端の下がり=折れ角×先端までの距離\text{先端の下がり} = \text{折れ角} \times \text{先端までの距離}

2. 全部の区間を足す。本当の棒は、あらゆる場所で少しずつ曲がっています。折れ角は、その場所の曲がり具合 M/EI\sM/\sE\sI × 区間の長さです(前の単元)。区間ごとに上の掛け算をして、全部足せば、先端のたわみです。

δ=∑(ME I×Δx⏟折れ角)×先端までの距離\sdelta = \sum \Bigl(\underbrace{\dfrac{\sM}{\sE\,\sI} \times \Delta\sx}_{\text{折れ角}}\Bigr) \times \text{先端までの距離}

3. シーソーの形になっている。この足し算は、図心(断面の中心) のシーソーと同じ「重さ × 距離」の形です。重さの代わりに、曲がり具合のグラフの面積が乗っています。シーソーの決まりから、全部足した答えは「面積の合計 × 図心までの距離」になります。

4. 片持ちばりの曲がり具合は、三角形。曲げモーメントは根元で PL\sP\sL、先端で 0 の直線でした。だから曲がり具合のグラフは、根元で PL/EI\sP\sL/\sE\sI、先端で 0 の三角形です。

  • 面積は、12×L×P LE I=P L22 E I\dfrac{1}{2} \times \sL \times \dfrac{\sP\,\sL}{\sE\,\sI} = \dfrac{\sP\,\sL^2}{2\,\sE\,\sI}。これは先端の傾きと同じです(前の単元の1回目の積み上げ)。
  • 三角形の図心は、太い側(底辺)から高さの 1/3 のところでした(図心の単元)。根元から L/3\sL/3、先端からは 2L/32\sL/3 です。
5. 掛ける。 δ=P L22 E I⏟面積×2 L3⏟図心から先端まで=P L33 E I\sdelta = \underbrace{\dfrac{\sP\,\sL^2}{2\,\sE\,\sI}}_{\text{面積}} \times \underbrace{\dfrac{2\,\sL}{3}}_{\text{図心から先端まで}} = \dfrac{\sP\,\sL^3}{3\,\sE\,\sI}

1/2 × 2/3 = 1/3。3 は、「三角形の面積の 1/2」と「図心までの 2/3」から出てくる数です。曲がっているのが根元に寄っているので、先端までの距離が 2/3 で済みます。もし曲げモーメントがどこでも根元と同じなら、曲がり具合のグラフは長方形で、面積は1倍、図心は真ん中の 1/2 なので、係数は 1/2 になります。

看板のアームで確かめる。まず断面二次モーメントです。

I=b h312=15×30312=33,750 mm4\sI = \dfrac{\sb\,\sh^3}{12} = \dfrac{15 \times 30^3}{12} = 33{,}750\ \mathrm{mm^4}

次に、三角形の面積(先端の傾き)です。

P L22 E I=200×80022×206,000×33,750=0.009205 rad\dfrac{\sP\,\sL^2}{2\,\sE\,\sI} = \dfrac{200 \times 800^2}{2 \times 206{,}000 \times 33{,}750} = 0.009205\ \mathrm{rad}

これに、図心から先端までの距離 2×800/3=533.3 mm2 \times 800/3 = 533.3\ \mathrm{mm} を掛けます。

δ=0.009205×533.3=4.91 mm\sdelta = 0.009205 \times 533.3 = 4.91\ \mathrm{mm}

公式に直接入れても、同じ 4.91 mm です。

高さが3乗で効く理由 断面二次モーメント I\sI の中身

I\sI は、断面二次モーメント で出した「断面の形の曲がりにくさ」です。1文で振り返ると、断面を帯に切り、帯の面積 × 中立軸からの距離² を全部足したものです。

I=∑(帯の面積×中立軸からの距離2)\sI = \sum \bigl(\text{帯の面積} \times \text{中立軸からの距離}^2\bigr)

距離が2回かかるのは、帯の伸び(力)も、シーソーの腕の長さも、距離に比例するからでした。下の図では、遠い帯ほど濃く塗っています。

中立軸立てた棒幅 20 mm × 高さ 40 mmI = 106,667 mm⁴中立軸寝かせた棒幅 40 mm × 高さ 20 mmI = 26,667 mm⁴I は 4 倍

長方形(幅 b\sb、高さ h\sh)では、I=b h3/12\sI = \sb\,\sh^3/12 です。

  • 幅 b\sb は1乗。幅を2倍にするのは、同じ断面を2つ並べるのと同じです。帯の面積が2倍になるので、I\sI も2倍です。
  • 高さ h\sh は3乗。高さを2倍にすると、帯の面積が2倍になります。しかも、帯が中立軸から2倍遠くなり、距離の2乗で4倍効きます。2 × 4 = 8倍です。

上の図の2本は、同じ断面積でも I\sI が4倍違います。たわみは I\sI に反比例するので、立てた棒のたわみは、寝かせた棒の4分の1です。

「3乗」は、長方形の場合の数です。形が変われば、乗数も変わります。

断面の形 I\sI 効き方
長方形(幅 b\sb、高さ h\sh) b h3/12\sb\,\sh^3/12 高さに3乗、幅に1乗
丸棒(直径 dd) πd4/64\pi d^4/64 直径に4乗
中空の丸管(外径 DD、内径 dd) π(D4−d4)/64\pi (D^4 - d^4)/64 内径を外径の8割にすると、材料は36%で済むのに、I\sI は約59%残る

中立軸の近くの材料は、曲がりにくさにあまり効きません。だから、H形鋼や管のように、材料を中立軸から遠いところに集めた形は、軽いのに曲がりにくくなります。

どの数字がいちばん効く?

それぞれの数字を1割(10%)だけ変えたとき、たわみがどう変わるかを並べてみます。

変えるもの たわみの変化 理由
長さ L\sL を10%長く +33% 3乗で効く(1.1³ ≒ 1.33)
断面の高さ h\sh を10%高く −25% I\sI が h\sh の3乗で決まる(上で説明)
荷重 P\sP を10%大きく +10% 1乗
断面の幅 b\sb を10%広く −9% 1乗
材料の硬さ E\sE を10%上げる −9% 1乗

長さと断面の高さは、ほかの3つの約3倍効きます(33%・25% に対して 9〜10%)。

看板のアームに戻る

最初の問いに戻ります。長さ 800 mm、幅 15 mm・高さ 30 mm の鋼の角棒に、200 N の看板。先端は 4.91 mm 下がります。

看板を壁からさらに離して、アームを 2倍の 1,600 mm にすると、たわみは8倍の 39.3 mm です。同じ棒のままでは、看板がはっきり傾いて見えます。

長くしたいなら、棒の高さを増やします。高さを2倍の 60 mm にすれば、8倍が打ち消されて、たわみは元の 4.91 mm に戻ります。

つまり、ものを作るときは

たわみを小さくしたいなら、まず長さを短くできないかを考えます。長さも荷重も変えられないときは、断面を縦に高くするのがいちばん効きます。材料を硬いもの(アルミ → 鋼)に替えるのは、その次の手です。

根元ほど太い釣り竿や街灯のポールは、曲げモーメントがいちばん大きく、いちばん強く曲がる根元を、太くしています。H形鋼(断面がH字の鋼材)は、中立軸から遠い上下に厚い板を置いて、軽いまま I\sI を大きくしています。

左:H形鋼の断面。右:根元が太く、先端ほど細い釣り竿が、魚の重さで曲がっている
図 10-06H形鋼は、中立軸から遠い上下に、厚い板を置いています。

動かしてみよう

長さ L\sL のスライダーを右へ動かして、棒が伸びるのに合わせて、下がりがどれだけ急に増えるか見てください(薄い線が初期値の図です)。次に、高さ h\sh を少しだけ大きくしてみてください。

たわみは実際にはとても小さいので、図では、見やすいように拡大して描いています。図の下の「たわみの描き方」で、2つの描き方を切り替えられます。「倍率を固定」では、倍率が整数のまま動かないので、数字を変えるとたわみの大きさがそのまま図に出ます。「実寸」では、拡大しない本当の大きさになります。

シミュレータスライダーを動かすと、図と答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. アームの長さ L を2倍の 1,600 mm にする(ほかは初期値のまま)(まだ)
  2. 長さを 800 mm に戻して、高さ h を2倍の 60 mm にする(まだ)
  3. 寸法は初期値のまま、材料の硬さ E をアルミの 70 GPa にする(まだ)
N
mm
GPa
mm
mm
PδL単元はり・片持ち尺度たわみ ×10材料E = 206 GPabh断面
先端のたわみは、初期値の ×1
たわみの描き方いまの倍率 ×10

たわみは実際には小さいので、見やすいように拡大して描いています。倍率は、初期値のときの ×10 のまま変えないので、数字を変えると、たわみの大きさが、そのまま図に出ます。

いまの式(数字を入れた形)

δ=P L33 E I\htmlClass{q-displacement}{\delta} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{P}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^3}{3\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}}=200×80033×206,000×33,750= \dfrac{200 \times 800^3}{3 \times 206{,}000 \times 33{,}750}=4.91 mm= 4.91\ \mathrm{mm}
先端のたわみ
δ=4.91 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta} = 4.91\ \mathrm{mm}
先端のたわみ角
θ=0.009205 rad\htmlClass{q-displacement}{\theta} = 0.009205\ \mathrm{rad}
最大曲げ応力
σmax⁡=71.11 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_{\max}} = 71.11\ \mathrm{MPa}
最大曲げモーメント
Mmax⁡=160,000 N⋅mm\htmlClass{q-moment}{M_{\max}} = 160{,}000\ \mathrm{N\cdot mm}
ほかの値(2 個)
断面二次モーメント
I=33,750 mm4\htmlClass{q-material}{I} = 33{,}750\ \mathrm{mm^4}
断面係数
Z=2,250 mm3\htmlClass{q-material}{Z} = 2{,}250\ \mathrm{mm^3}
途中の計算(導出)を見る
  1. 断面二次モーメント(長方形断面)

    I=b h312=15×30312=33,750 mm4\htmlClass{q-material}{I} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^3}{12} = \dfrac{15 \times 30^3}{12} = 33{,}750\ \mathrm{mm^4}
  2. 先端のたわみ

    δ=P L33 E I=200×80033×206,000×33,750=4.91 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{P}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^3}{3\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{200 \times 800^3}{3 \times 206{,}000 \times 33{,}750} = 4.91\ \mathrm{mm}
  3. 先端のたわみ角

    θ=P L22 E I=200×80022×206,000×33,750=0.009205 rad\htmlClass{q-displacement}{\theta} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{P}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^2}{2\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{200 \times 800^2}{2 \times 206{,}000 \times 33{,}750} = 0.009205\ \mathrm{rad}
  4. 最大曲げモーメント(固定端)

    Mmax⁡=P L=200×800=160,000 N⋅mm\htmlClass{q-moment}{M_{\max}} = \htmlClass{q-force}{P}\,\htmlClass{q-geometry}{L} = 200 \times 800 = 160{,}000\ \mathrm{N\cdot mm}
  5. 最大曲げ応力(固定端の上下の面)

    σmax⁡=Mmax⁡Z,Z=b h26=160,0002,250=71.11 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{M_{\max}}}{\htmlClass{q-material}{Z}},\quad \htmlClass{q-material}{Z} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^2}{6} = \dfrac{160{,}000}{2{,}250} = 71.11\ \mathrm{MPa}

よくある勘違い

「強い鋼にすれば、曲がらなくなる」

「強い」と「曲がりにくい」は、別のものです。先に言葉を分けます。

言葉 意味 たとえば
強さ(強度) どこまで耐えられるか。これを超えると、壊れるか、元に戻らなくなる 同じ太さの針金でも、ピアノ線(高強度の鋼)は、ふつうの鉄線より切れにくい。つまり強い
硬さ(剛性) 同じ力をかけたとき、どれだけ変形するか。変形しにくいほど硬い ゴムはぐにゃりと曲がるので、硬くない。ガラスの棒は曲げにくいので、硬い

ガラスの棒は、硬いのに、曲げすぎると急に割れます。硬いことと、強いことは別です。

ここでいう「硬さ」は、爪で引っかいて傷がつくかどうか(硬度)ではなく、力をかけたときの変形のしにくさです。材料の硬さを表す数値が、縦弾性係数 E\sE です。

鋼には、安い普通の鋼も、高価な高強度の鋼もあります。高強度の鋼は、壊れるまでに耐えられる力が大きい鋼です。ところが E\sE は、どちらもほぼ同じ約 206 GPa です。そのため、同じ荷重をかけたときのたわみも、同じです。高強度の鋼は、もっと重いものを載せても壊れない、というだけです。

曲がりにくさを決めているものは2つあります。材料の硬さ E\sE と、断面の形 I\sI です。掛け算した E I\sE\,\sI が、はり全体の曲がりにくさ(曲げ剛性)です。たわみを減らしたいときは、この2つのどちらかを大きくします。

「同じ棒なら、向きはどうでもいい」

大違いです。上で見たとおり、I\sI は高さ h\sh の3乗で決まるので、同じ角棒を立てて使うか寝かせて使うかで、たわみが何倍も変わります(例題2)。

左:棒を縦に立てて付けると、先端はわずかしか下がらない。右:同じ棒を寝かせて付けると、先端は大きく下がる
図 10-05左が立てた棒、右が寝かせた棒です。断面積は同じで、たわみは4倍になります。

この公式が使える条件

  • たわみが、棒の長さに比べて十分小さい(長さの1割くらいまで)
  • 荷重を外すと元に戻る範囲(弾性の範囲)
  • 棒の重さは考えない。棒の太さは根元から先まで同じ
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

積分で出す:出発点の式 E I d2v/dx2=−M\sE\,\sI\,d^2\sv/d\sx^2 = -\sM は、たわみの微分方程式と積分法 で出しました。下向きのたわみを v\sv、壁からの位置を x\sx とすると、M=−P(L−x)\sM = -\sP(\sL - \sx) なので、

E I d2vdx2=P (L−x)\sE\,\sI\,\dfrac{d^2\sv}{d\sx^2} = \sP\,(\sL - \sx)

右辺の大きさは、根元で P L\sP\,\sL、先端で 0 です。2回積分すると、

E I v=P(L x22−x36)+C1 x+C2\sE\,\sI\,\sv = \sP\left(\dfrac{\sL\,\sx^2}{2} - \dfrac{\sx^3}{6}\right) + C_1\,\sx + C_2

根元は壁に固定されていて、下がらず傾きもしないので、x=0\sx = 0 で v=0\sv = 0、dv/dx=0d\sv/d\sx = 0。これで C1=C2=0C_1 = C_2 = 0 になり、

v(x)=P x2 (3L−x)6 E I\sv(\sx) = \dfrac{\sP\,\sx^2\,(3\sL - \sx)}{6\,\sE\,\sI}

先端 x=L\sx = \sL を入れると δ=P L3/(3 E I)\sdelta = \sP\,\sL^3/(3\,\sE\,\sI) です。

図心で出す方法と同じになる理由:本文の足し算を、積分で書くと次のようになります。

δ=∫0LM(x)E I (L−x) dx=PE I∫0L(L−x)2 dx=P L33 E I\sdelta = \int_0^{\sL} \dfrac{\sM(\sx)}{\sE\,\sI}\,(\sL - \sx)\,d\sx = \dfrac{\sP}{\sE\,\sI}\int_0^{\sL} (\sL - \sx)^2\,d\sx = \dfrac{\sP\,\sL^3}{3\,\sE\,\sI}

∫0L(L−x)2 dx=L3/3\int_0^{\sL} (\sL-\sx)^2\,d\sx = \sL^3/3 の 1/3 は、断面二次モーメントの 1/12 が出てきたのと同じ「距離² を細かく足す」計算です。

I=b h3/12\sI = \sb\,\sh^3/12:中立軸からの距離を yy とすると、

I=∫y2 dA=∫−h/2h/2y2 b dy=b⋅23(h2)3=b h312\sI = \int y^2\,dA = \int_{-\sh/2}^{\sh/2} y^2\,\sb\,dy = \sb \cdot \dfrac{2}{3}\left(\dfrac{\sh}{2}\right)^3 = \dfrac{\sb\,\sh^3}{12}

例題

例題1 看板のアーム

店の壁から、鋼の角棒が水平に 800 mm 突き出していて、その先に看板をつるします。看板の重さは 200 N です。

角棒の断面は幅 15 mm・高さ 30 mm(高さの向きが上下)、鋼の縦弾性係数は 206 GPa とします。棒の重さは考えません。

(1) 先端はどれだけ下がりますか。(2) 根元で、棒の上の面に生じる曲げ応力はいくらですか。

ヒント 1 / 2

たわみは δ=P L3/(3 E I)\sdelta = \sP\,\sL^3/(3\,\sE\,\sI)、応力は根元の曲げモーメント P L\sP\,\sL を断面係数 Z=b h2/6\sZ = \sb\,\sh^2/6 でわって求めます。

ヒント 2 / 2

まず I=15×303/12\sI = 15 \times 30^3/12 を出します。E\sE は 206 GPa = 206,000 N/mm² に直して入れます。

答えと解き方を見る
(1) δ=4.91 mm(1)\ \sdelta = 4.91\ \mathrm{mm}
(2) σmax⁡=71.1 MPa(2)\ \ssigma = 71.1\ \mathrm{MPa}
  1. 断面二次モーメント(長方形断面)

    I=b h312=15×30312=33,750 mm4\htmlClass{q-material}{I} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^3}{12} = \dfrac{15 \times 30^3}{12} = 33{,}750\ \mathrm{mm^4}
  2. 先端のたわみ

    δ=P L33 E I=200×80033×206,000×33,750=4.91 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{P}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^3}{3\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{200 \times 800^3}{3 \times 206{,}000 \times 33{,}750} = 4.91\ \mathrm{mm}
  3. 最大曲げモーメント(固定端)

    Mmax⁡=P L=200×800=160,000 N⋅mm\htmlClass{q-moment}{M_{\max}} = \htmlClass{q-force}{P}\,\htmlClass{q-geometry}{L} = 200 \times 800 = 160{,}000\ \mathrm{N\cdot mm}
  4. 最大曲げ応力(固定端の上下の面)

    σmax⁡=Mmax⁡Z,Z=b h26=160,0002,250=71.11 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{M_{\max}}}{\htmlClass{q-material}{Z}},\quad \htmlClass{q-material}{Z} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^2}{6} = \dfrac{160{,}000}{2{,}250} = 71.11\ \mathrm{MPa}

根元の上の面は引っ張られ、下の面は押し縮められます。大きさはどちらも同じです。

例題2 同じ棒を寝かせて付けたら

幅 20 mm・高さ 40 mm の鋼の角棒を、壁から 600 mm 突き出し、先端に 300 N をかけます。

同じ棒を90°回して、幅 40 mm・高さ 20 mm の向きで付け直すと、先端のたわみは何倍になりますか。断面積は変わりません。

ヒント 1 / 2

P\sP・L\sL・E\sE は同じなので、たわみは I\sI に反比例します。2つの向きの I=b h3/12\sI = \sb\,\sh^3/12 を比べます。

ヒント 2 / 2

立てた向きは 20×403/1220 \times 40^3/12、寝かせた向きは 40×203/1240 \times 20^3/12 です。

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δ寝かせるδ立てる=3.93 mm0.983 mm=4\dfrac{\sdelta_{\text{寝かせる}}}{\sdelta_{\text{立てる}}} = \dfrac{3.93\ \mathrm{mm}}{0.983\ \mathrm{mm}} = 4

断面積が同じでも、たわみは4倍になります。

断面二次モーメントは幅に1乗、高さに3乗で効くので、高さが半分・幅が2倍になると、I は 2 × (1/2)³ = 1/4 になり、たわみは4倍です。

棚板を縦に使うと曲がりにくいのも、同じ理由です。

例題3 鋼をアルミに替えたら

幅 30 mm・高さ 50 mm、長さ 1,200 mm の片持ちの腕に、先端で 500 N がかかります。

材料を鋼(206 GPa)からアルミニウム合金(70 GPa)に替えると、形はそのままで、先端のたわみは何倍になりますか。

ヒント 1

形も荷重も同じなので、δ=P L3/(3 E I)\sdelta = \sP\,\sL^3/(3\,\sE\,\sI) のうち変わるのは E\sE だけです。たわみは E\sE に反比例します。

答えと解き方を見る
鋼 4.47 mm,アルミ 13.2 mm,2.94 倍\text{鋼}\ 4.47\ \mathrm{mm},\quad \text{アルミ}\ 13.2\ \mathrm{mm},\quad 2.94\ \text{倍}

たわみは縦弾性係数 E に反比例するので、206 ÷ 70 で約2.9倍です。

アルミは軽い代わりに、同じ形では約3倍たわみます。軽さを保ったままたわみを抑えたいときは、材料ではなく断面の高さを増やします(例題2)。