- 科目
- 材料力学
- 章
- はりのたわみ
- 図番
- 12 / 22
- 内容
- シミュレータ・例題3問
両端で支えるだけで、たわみは16分の1単純支持ばりのたわみ(中央に集中荷重)
同じ棒でも、両端を支えると、片持ちの16分の1しかたわまない。48 という数の理由と、たわみを小さくする支え方。

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
この単元のポイント
- 両端を支えた棒の真ん中に荷重をかけると、たわみは 。いちばん下がるのは真ん中で、両端は下がらずに傾く。
- 48 は、片持ちばりを2本、背中合わせにして出てくる数(3 × 2 × 8)。同じ棒・同じ荷重なら、片持ちばりの16分の1しかたわまない。
- 支点の間隔を半分にすると、たわみは8分の1。
前の単元との違い荷重は片持ちの単元と同じ1点です。支え方が、片端の固定から、両端を下から支えるだけに変わります。
両端を支えた棒の、真ん中に乗ると
用水路に渡した板、丸太を渡しただけの橋、電車が走る橋の桁、床を支える梁、物干し竿。どれも、棒の両端が下から支えられていて、真ん中がたわみます。
端を固定せず、下から支えるだけで、端が傾くのは自由。こういう支え方を単純支持といい、両端を単純支持したはりを単純支持ばり(両端支持ばり)といいます。

水たまりに渡した板の真ん中に乗ると、足もとがぐっと沈みます。本棚の棚板は、本を並べるうちに、真ん中がゆるやかに下がってきます。どれも「両端が支えられて、真ん中が空いている」形です。
この単元では、1枚の渡し板で考えます。幅 1,000 mm の用水路に、鋼の板(幅 300 mm、厚さ 12 mm)を渡します。両端は岸に載せただけです。その真ん中に、体重 80 kg の人(約 800 N)が立ちます。
板の真ん中は、何 mm 沈むでしょうか。
片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重) の片持ちばりは、片方の端だけを壁に固定していました。今回は、両端を支えるだけです。支え方が変わると、たわみはどう変わるでしょうか。
予想してから読む同じ棒・同じ長さ・同じ荷重で、片持ちばりをやめて両端を支え、真ん中に荷重をかけると、たわみは?
公式はこれ
| 記号 | 意味 | 渡し板では |
|---|---|---|
| 真ん中にかかる荷重 | 人が立つ 800 N(約 80 kg) | |
| 支点と支点の間隔(スパン) | 1,000 mm | |
| 材料の硬さ(縦弾性係数) | 鋼 206 GPa | |
| 断面の形の曲がりにくさ | = 43,200 mm⁴ |
片持ちばりの と、とてもよく似た形です。違うのは、分母の 3 が 48 になっただけ。同じ棒、同じ荷重、同じ長さなら、たわみは 48 ÷ 3 = 16分の1 です。
48 は、突然出てくる数に見えます。でも、前の単元の片持ちばりの式から作れます。
なぜ 48 なのか 片持ちばりが背中合わせ
1. 支点が支える力。はり全体をシーソーと見ます(せん断力図と曲げモーメント図)。荷重が真ん中なので、左右の支点が、荷重を半分ずつ受け持ちます。どちらの支点も、 で押し上げています。
2. 真ん中は水平。たわんだ形は、左右対称です。だから、真ん中では、はりは水平になっています(傾きが 0)。
3. 真ん中を壁と見る。傾きが 0 で、動かない。それは、壁に固定されているのと同じです。そこで、真ん中を壁に見立てると、単純支持ばりは、長さ の片持ちばりが、左右に1本ずつの形になります。
片持ちばりの先端(もとの支点)には、上向きに の力がかかっています。壁から見ると、この先端が、真ん中より だけ上がっています。これが、真ん中のたわみです。
4. 片持ちばりの式に入れる。荷重 、長さ を入れます。
48 = 3 × 2 × 8 です。3 は片持ちばりの 3、2 は荷重が半分、8 は長さが半分(の3乗)から来ています。
16分の1の理由も、これで見えます。長さが半分になると、 が効いて 1/8。荷重が半分になると 1/2。合わせて 1/8 × 1/2 = 1/16 です。
公式を、3つのかたまりに分けて読む
背中合わせの見方で、式を3つの部分に分けます。
- 真ん中を曲げる力 支点の力 × 真ん中までの距離 です。これが真ん中の曲げモーメントで、せん断力図の単元で出した と同じです。
- 曲がりやすさ 片持ちばりと同じです。 が大きいほど、曲がりません。
- 長さで広がる 片持ちばりの の長さを、半分の にしたものです。 です。
は1つ目のかたまりに1回、3つ目に2回出てきます。合わせて3回なので です。
3乗は、実物で見ると大きな差になります。渡し板(幅 300 mm、厚さ 12 mm の鋼板に 800 N)で、スパンを変えてみます。
| スパン | 真ん中のたわみ | 1,000 mm のときの何倍か |
|---|---|---|
| 1,000 mm | 1.87 mm | 1倍 |
| 1,500 mm | 6.32 mm | 3.375倍 |
| 2,000 mm | 14.98 mm | 8倍 |
スパンを2倍にすると、たわみは8倍です。幅の広い用水路ほど、同じ板では渡れなくなります。
真ん中が下がり、両端は傾く
荷重をかけると、板はなめらかな弓なりにたわみます。
- 真ん中:いちばん下がります。傾きは 0 で、水平です。
- 両端(支点):下がりません(支えられているから)。そのかわり、傾きます。
- その間:下がり方が、真ん中に向かって大きくなります。

支点の傾きも、背中合わせの見方で出せます。長さ の片持ちばりの先端の傾き です。
渡し板(スパン 1,000 mm)では 0.0056 rad、角度にして約 0.32° です。わずかですが、橋と道路のつなぎ目(伸縮装置)のように、端の動きが問題になる場所では無視できません。橋の桁の端は、車や電車が通るたびに、この傾きの分だけ小さく首を振ります。
支え方の違い ピンとローラ
両端を支えるといっても、実は2種類の支え方を組み合わせています。
- ピン支持:板を下から受け、横にもずれないようにします。端は、ピンを軸にして、くるりと傾くことができます。
- ローラ支持:板を下から受けるだけ。丸いころの上に載っているので、横には自由に動けます。
両方をピンにして完全に固定すると、板が温度で伸びたとき、逃げ場がなくて余計な力がかかります。そこで、片方はローラにして、伸び縮みを逃がします。橋の桁の片側に、ころが付いているのはこのためです。

どちらも、端が傾くのを止めません。端が傾けるから、真ん中を「壁」と見た片持ちばりの先端が、自由に動けます。端を壁に埋めて傾かないようにすると、別の式(両端固定ばり)になります。
片持ちばりと比べる
同じ鋼の角棒(幅 30 mm、高さ 60 mm)、長さ 1,500 mm、荷重 2,000 N(約 200 kg)で比べます。
| 支え方 | たわみ |
|---|---|
| 片持ちばり(先端に荷重) | 20.2 mm |
| 単純支持ばり(真ん中に荷重) | 1.26 mm |
同じ棒が、支え方を変えるだけで、16倍も曲がりにくくなります。

どの数字がいちばん効く?
1割ずつ変えたときの効き方は、片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重) の表とまったく同じです(長さ +33%、高さ −25%、荷重・幅・硬さは ±9〜10%)。式の形が同じで、違うのは分母の数(3 と 48)だけだからです。支え方は、たわみの大きさを16分の1にしますが、どの数字がどれだけ効くかは変えません。
渡し板に戻る
最初の問いに戻ります。まず、板の断面二次モーメントです。
公式に入れます。
板の真ん中は、約 1.9 mm 沈みます。足もとが少し沈む感覚があるくらいです。
同じ板を、片方の岸だけに固定して突き出したら、16倍の約 30 mm です。両端を岸に載せるだけで、渡れる板になっています。
つまり、ものを作るときは
長い棒を、片側だけで支えるのは、いちばん不利です。両端を支えるだけで、たわみは16分の1になります。
それでもたわみが大きいときは、支点の間隔を詰めます。間隔を半分にすれば、8分の1です。丸太橋の途中に橋脚を立てたり、長い棚板の下に支えを足したりするのも、同じ向きの工夫です。途中に支えを足したはりは、2つの区間がつながっているので、計算は別(連続ばり)になります。
支点の間隔を変えられないなら、板を厚くします。厚さ 12 mm の板を 24 mm にすれば、たわみは 8分の1です。重い物を載せる本棚の棚板が厚いのも、座卓の天板の裏に桟(さん)が通っているのも、同じ理由です。

動かしてみよう
盤の初期値は、渡し板(鋼板 300 × 12 mm、スパン 1,000 mm、800 N)です。まず「支え方」を片端だけ壁に固定(片持ち)に切り替えて、同じ板・同じ荷重で、たわみが何倍になるか見てください。
次に「両端を支える」に戻して、支点の間隔 を変えます。たわみと一緒に、支点のたわみ角 の数字も見てください。
試してみよう0 / 3
- 支え方を「片端だけ壁に固定(片持ち)」にする(同じ板・同じ 800 N)(まだ)
- 「両端を支える」に戻して、支点の間隔 L を半分の 500 mm にする(まだ)
- 間隔 L を2倍の 2,000 mm にして、端のたわみ角 θ も見る(まだ)
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 ×16 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)
- 最大たわみ
- 端のたわみ角(両端支持は支点・片持ちは先端)
- 最大曲げ応力
- 支点の反力
- 最大曲げモーメント
ほかの値(2 個)
- 断面二次モーメント
- 断面係数
途中の計算(導出)を見る
断面二次モーメント(長方形断面)
支点の反力(荷重が中央なので、左右で半分ずつ)
最大曲げモーメント(中央)
最大たわみ(中央)
支点のたわみ角
最大曲げ応力(中央の上下の面)
よくある勘違い
「支点には、それぞれ荷重と同じ大きさの力がかかる」
支点にかかる力は、荷重の半分ずつです()。左右の支点が、荷重を分け合って、下から支えています。荷重が真ん中からずれると、荷重に近い支点が、より多くを受け持ちます(任意の位置に集中荷重 の単元で扱います)。
「たわむのは、真ん中だけ」
はり全体が、なめらかに曲がっています。たわみがいちばん大きいのが、真ん中です。支点のところでも、はりは傾いています(支点のたわみ角 )。
「両端を支えているから、両端もたわむ」
支点は上下に動かないので、両端のたわみは 0 です。動くのは傾きだけです。「たわみ」は下がった量、「傾き(たわみ角)」は向きの変化で、別のものです。
この公式が使える条件
- 荷重が、はりの真ん中の1点にかかる
- たわみが、はり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)
- はりの重さは考えない。はりの太さは、端から端まで同じ
- 支点は、はりを上下に支えるだけ。端は傾いてよく、片方は横にも動ける
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
出発点の式 は、たわみの微分方程式と積分法 で出しました。ここでは、積分と境界条件で、背中合わせの見方と同じ答えになることを確かめます。
左の支点から の位置の曲げモーメントは、左の支点の力 によって ()です。下向きのたわみを とすると、
1回積分すると、
真ん中()で傾きが 0 なので、。もう1回積分すると、
支点()で なので 。よって、
真ん中 を入れると、 です。支点()での傾きは です。
例題
例題1 用水路に渡した鋼の板
幅 1,000 mm の用水路に、鋼の板を渡して、簡易の橋にします。板は幅 300 mm、厚さ 12 mm で、両端を岸に載せただけです(単純支持)。鋼の縦弾性係数は 206 GPa とします。板の重さは考えません。
板の真ん中に、体重 80 kg の人が立ちます(荷重はおよそ 800 N)。(1) 板の真ん中は、どれだけ下がりますか。(2) 板の真ん中で、板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 。応力は、真ん中の曲げモーメント を断面係数 でわって求めます。
ヒント 2 / 2
板は幅 300 mm・厚さ 12 mm なので、 です(厚さが高さ の役)。
答えと解き方を見る
断面二次モーメント(長方形断面)
支点の反力(荷重が中央なので、左右で半分ずつ)
最大曲げモーメント(中央)
最大たわみ(中央)
支点のたわみ角
最大曲げ応力(中央の上下の面)
板は薄いので、1 mm 台のたわみが出ます。人が真ん中に立つと、足もとが少し沈む感覚があるはずです。
板の上の面は押し縮められ、下の面は引っ張られます。大きさはどちらも同じです。
例題2 同じ棒を、片持ちで使うと
幅 30 mm、高さ 60 mm、長さ 1,500 mm の鋼の角棒に、2,000 N の荷重をかけます。
(1) 棒の一端を壁に固定して、先端に荷重をかけたときの、先端のたわみ。(2) 棒の両端を支えて、真ん中に荷重をかけたときの、真ん中のたわみ。(3) (1) は (2) の何倍ですか。
ヒント 1 / 2
(1) は片持ちばりの 、(2) は です。違うのは分母の数だけです。
ヒント 2 / 2
mm⁴ です。
答えと解き方を見る
片持ちは PL³/(3EI)、両端支持は PL³/(48EI) です。分母の 3 と 48 の比がそのまま、たわみの比になります。48 ÷ 3 = 16 です。
同じ棒でも、支え方を変えるだけで、たわみは16分の1になります。
例題3 支点の間隔を半分にすると
例題2の両端支持ばり(長さ 1,500 mm、真ん中に 2,000 N)で、支点の間隔を 750 mm に縮めました。荷重は同じ 2,000 N を、真ん中にかけます。
真ん中のたわみは、何倍になりますか。
ヒント 1
荷重も棒も同じなので、たわみは に比例します。間隔が何倍になったかを、3乗します。
答えと解き方を見る
たわみは長さの3乗に比例するので、長さが半分になると、(1/2)³ = 1/8 になります。
間隔を詰める代わりに、間に支えを足しても、同じ向きの効果が出ます。ただしその場合は、はりが2つの区間に分かれるので、別の計算(連続ばり)が要ります。