- 科目
- 材料力学
- 章
- 柱の座屈
- 図番
- 21 / 22
- 内容
- シミュレータ・例題3問
細長い柱は、材料が強くても突然曲がるオイラーの座屈荷重
細長い柱を押すと、材料に余裕があっても横にふくらんで急に曲がる(座屈)。両端ピンの柱の座屈荷重 Pcr = π²EI/L² は、長さの2乗に反比例し、強さには関係しない。短い柱は降伏が先、長い柱は座屈が先で、境目は細長比。

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
- 細長い柱を押すと、材料に余裕があるうちに、横にふくらんで急に曲がる(座屈)。荷重が柱を曲げる「荷重 × ずれ」と、柱が戻す「 × 曲がり具合」が釣り合う荷重が、座屈荷重 (両端ピン)。長さを2倍にすると、1/4 になる。
- 効くのは硬さ と断面の形 だけ。強い材料に替えても、座屈荷重は変わらない。
- 短い柱は潰れるのが先、長い柱は曲がるのが先。鋼なら境目は細長比 93 ほど。
定規を縦に押すと、どうなる?
机の上に鋼の定規を縦に立てて、上から指で押してみます。軽く押しただけで、定規はぐにゃりと横にふくらんで、曲がってしまいます。

幅 30 mm、厚さ 1 mm、長さ 300 mm の鋼の定規で考えます。
この定規を長さの方向に押し潰すには、約 7,050 N(質量 720 kg の物の重さ)の力が要ります。
ところが、定規が曲がり出すのは、わずか約 56 N(質量 5.8 kg の物の重さ)です。
押し潰す力の 1% にも届かない力で、なぜ曲がるのでしょうか。この単元は、この問いに答えます。
予想してから読むこの定規を、同じ幅・厚さのまま2倍の長さ 600 mm にすると、曲がり出す力は?
細長い柱を長さの方向に押すと、材料が壊れるずっと手前で、柱が横にふくらんで、急に曲がります。これを座屈と呼びます。壊れる限界は、材料の強さで決まります。座屈は、強さとは別の限界です。
空き缶は耐えて、定規は耐えない
同じように上から押しても、空き缶はなかなか曲がりません。

空き缶(直径 66 mm、高さ 120 mm ほど)は、高さが直径の2倍もありません。柱として見ると、とても短くて太い形です。いっぽう定規は、厚さの 300 倍の長さがあります。
座屈するかどうかを決めているのは、太さに対する長さの割合です。この割合に名前を付けたものが、あとで出てくる「細長比」です。缶の細長比は約 5、さきほどの定規は約 1,000 です。
曲げる効き目と、戻す効き目のシーソー
押された柱が、何かのはずみで、ほんの少し横に曲がったとします。真ん中のずれを とします。
ここから先に、2つの効き目が働きます。シーソーの決まり「力 × 距離」で考えます。
1つ目は、曲げる効き目です。荷重 は、柱の上の端から真下へ押しています。荷重の通る線は、まっすぐな柱の線のままです。ところが柱の真ん中は、その線から だけ横にずれています。
真ん中の断面から見ると、荷重は だけ離れたところを押しています。回す効き目は、力 × 距離 です。
これは、真ん中の断面にかかる曲げモーメントです。ずれが大きいほど、強く曲げます。
2つ目は、戻す効き目です。曲がった柱は、はりと同じく、まっすぐに戻ろうとします。たわみの微分方程式と積分法 の決まり「曲げモーメント = × 曲がり具合」です。
曲がり具合は、ずれ v に比例する
真ん中の曲がり具合を、ずれ で書きます。
まず、柱の形を円弧と見てみます。弦の長さ 、真ん中のふくらみ の円弧は、半径を として、三平方の定理から次の関係になります( は よりずっと小さいとして、 を省きます)。
曲がり具合は、ずれ に比例し、長さの2乗に反比例します。同じずれでも、長い柱はゆるやかにしか曲がっていません。
本当の座屈の形は、円弧ではなく、正弦曲線の半波です。半波では、真ん中の曲がり具合が少しきつく、8 のところが (約 9.87)になります。
は、半波の形から出てくる数です。ここでは導きません(下の「式の導き方」にあります)。
シーソーを釣り合わせる
2つの効き目を、左右に置きます。
どちらにも、ずれ が1回ずつかかっています。両方を で割ると、比べるのは次の2つです。
が消えました。どれだけ曲がっていても、シーソーの傾く向きは同じです。
- 荷重が右より小さいとき、戻す効き目が勝ちます。柱は、まっすぐに戻ります。
- 荷重が右より大きいとき、曲げる効き目が勝ちます。曲がるほど強く曲げられて、柱はどんどん曲がり込みます。
ちょうど釣り合う荷重が、曲がり出す境目です。これを座屈荷重 と呼びます。
両端をピンで支えた柱の式で、スイスの数学者オイラーが 1744 年ごろに導きました。
「両端ピン」とは、両端が自由に回れるように支えた状態です(蝶番でとめた棒を思い浮かべてください)。端を固定した柱は、支持条件と有効座屈長さ で扱います。この単元は、両端ピンだけを扱います。
公式を、3つのかたまりに分けて読む
- 形で決まる数 (約 9.87) 座屈した形(半波)から出てくる数です。支え方が変わると形が変わり、この数も変わります(支持条件と有効座屈長さ)。
- 曲がりにくさ 戻す効き目の大きさです。たわみの単元の「曲げ剛性」と同じ組み合わせです。 の求め方は 断面二次モーメント にあります。
- 長さで弱くなる 同じずれでも、長い柱はゆるやかにしか曲がらず、戻す効き目が小さくなります。そのぶん、小さな荷重で曲がり出します。
は2乗で効きます。長さが2倍なら 1/4、3倍なら 1/9 です。

座屈は「薄い方向」へ起こる
長方形の断面は、向きによって が違います。
柱は、断面二次モーメントが小さい軸まわりに曲がります。戻す効き目が小さい向きから、シーソーが先に傾くからです。
定規が、幅の方向ではなく、厚さの方向に曲がるのは、このためです。長方形の弱い軸の は、次の式です。

幅 30 mm、厚さ 1 mm の定規なら、次のとおりです。
幅の向きの値は 1 × 30³ ÷ 12 = 2,250 mm⁴ です。弱い向きの 2.5 mm⁴ は、その 900 分の1 しかありません。
厚さを2倍にすると、 は 2³ = 8 倍になるので、座屈荷重も 8 倍です。幅を2倍にしても、2倍にしかなりません。
丸棒や正方形の断面は、どの向きでも が同じなので、曲がる向きは決まりません。
冒頭の定規で確かめる
冒頭の「約 56 N」を、式で確かめます。鋼の は 206 GPa(206,000 N/mm²)、長さは 300 mm です。
押し潰す力は、降伏応力 235 MPa × 断面積 30 mm² で 7,050 N でした。
曲がり出す力は、その 1% にも届きません。定規は薄いので、戻す効き目 がとても小さいのです。材料の強さに余裕があっても、シーソーは先に傾きます。
定規を 300 mm から 600 mm にすると、座屈荷重は 1/4 で、約 56 N から約 14 N に下がります。
身のまわりの座屈
座屈は、細長い部材を、長さの方向に押す場面で起こります。

- ストロー 指で縦に押すと、すぐ曲がります。短く切ると、曲がりにくくなります。
- 突っ張り棒 部屋の幅いっぱいに伸ばして、両端で押し付けて使います。伸ばすほど長くなるので、曲がりやすくなります。
- テーブルの脚 天板の重さを、上から受ける柱です。細くて長い脚ほど、曲がる限界が低くなります。
- クレーンのブーム 格子状の骨組みの中には、押される部材があります。長くて細い部材は、押されて曲がらないように設計されています。
どの数字がいちばん効く?
幅 30 mm、厚さ 6 mm、長さ 1,000 mm の鋼の板(両端ピン)を基準にします。それぞれの数字を1割(10%)だけ変えたときの、座屈荷重の変化です。
| 変えるもの | 座屈荷重の変化 | 理由 |
|---|---|---|
| 厚さ(薄い辺)を10%厚く | +33% | が薄い辺の3乗で決まる(1.1³ ≒ 1.33) |
| 長さ を10%長く | −17% | 2乗に反比例(1/1.1² ≒ 0.83) |
| 硬さ を10%上げる | +10% | 1乗 |
| 幅(長い辺)を10%広く | +10% | が長い辺の1乗で決まる |
| 降伏応力を10%上げる | 0% | 座屈荷重の式に、強さは入っていない |
いちばん効くのは、薄い辺の厚さです。次が長さです。強さは、座屈荷重にまったく効きません。
つまり、ものを作るときは
細長い圧縮材を曲がりにくくしたいなら、まず長さを短くできないかを考えます(途中を支えると、曲がる部分の長さが短くなります)。
長さを変えられないときは、断面を、中心から遠くに広げた形にします。同じ重さの鋼なら、直径 20 mm の丸棒を、外径 40 mm の管にすると、 が 7 倍になり、座屈荷重も 7 倍です。
材料を強いものに替えても、座屈荷重は上がりません。上がるのは、 が大きい材料に替えたときだけです。
座屈応力と細長比 短い柱は潰れ、長い柱は曲がる
座屈荷重を断面積 で割ると、座屈が起きるときの応力(座屈応力)になります。
式の中の が細長比で、長さが断面二次半径 の何倍かを表します。 は、断面の大きさの目安になる長さです(丸棒なら直径の 1/4、長方形なら薄い辺の 0.289 倍)。
右辺には、長さも断面の形も、別々には出てきません。座屈応力は、細長比と、材料の硬さ だけで決まります。
押される柱には、限界が2つあります。
- 座屈応力 に届いて、曲がり出す。
- 降伏応力 に届いて、材料が潰れ始める。
先に届いた限界が、その柱の限界です。2つの応力が等しくなる細長比 は、 を について解いて、次の式です。
が より大きい長い柱は、座屈が先です。小さい短い柱は、降伏が先です。
鋼(E = 206 GPa、降伏応力 235 MPa)では です。鋼の柱で、細長比を変えたときの様子を表にします。
| 細長比 | 座屈応力(式の値) | 降伏応力との比 | 先に起きる |
|---|---|---|---|
| 30 | 2,259 MPa | 9.6 倍 | 降伏 |
| 60 | 565 MPa | 2.4 倍 | 降伏 |
| 93.0 | 235 MPa | 1 倍 | 同時 |
| 150 | 90.4 MPa | 0.38 倍 | 座屈 |
| 200 | 50.8 MPa | 0.22 倍 | 座屈 |
| 300 | 22.6 MPa | 0.10 倍 | 座屈 |
細長比が 93.0 より小さい行では、座屈応力の式の値が降伏応力を超えます。柱は、その値まで荷重を上げる前に、材料が降伏します。オイラーの式の値は、そのまま使えません。
材料が違うと、境目の細長比も変わります。降伏応力が低いと、境目は大きくなります。
| 材料(目安の値) | E | 降伏応力 | 境目の細長比 |
|---|---|---|---|
| 鋼(SS400) | 206 GPa | 235 MPa | 93.0 |
| アルミ(A6063-T5) | 70 GPa | 110 MPa | 79.3 |
| 木 | 9 GPa | 30 MPa | 54.4 |
| 高強度の鋼 | 206 GPa | 500 MPa | 63.8 |
鋼(SS400)の 235 MPa は、厚さ 16 mm をこえ 40 mm 以下の規格の値です(16 mm 以下なら 245 MPa)。ここでは低いほうの 235 MPa にそろえています。アルミと木の値は目安です。合金・樹種・等級で大きく変わります。
高強度の鋼(降伏応力 500 MPa)は、境目が 93.0 から 63.8 に下がっています。細長比が 93.0 より大きい柱は、普通の鋼でも座屈が先に来ます。そういう柱では、強い鋼に替えても、耐えられる荷重は変わりません。強さを上げて得をするのは、細長比が 93.0 より小さい柱だけです。
動かしてみよう
まず、荷重 のスライダーを右へ動かしてみてください。座屈荷重をこえた瞬間に、まっすぐだった柱が横へ曲がります。次に、断面(長方形か丸)と材料を選んで、長さ を動かします。座屈荷重がどれだけ急に変わるかを見て、右の図で、「いまの柱」の点が曲線の上を動くのを見ます。
初期値は、幅 10 mm・高さ 30 mm・長さ 300 mm の鋼の板を、30,000 N で押したところです。細長比は約 104 で、境目の 93 の少し上にあります。座屈荷重は 56,480 N なので、まだまっすぐです。
長さを短くしていくと、曲線の上を左へ上っていた点が、降伏応力の線の上に乗り換えます。そこが、座屈から降伏に切り替わる境目です。境目より短い柱で荷重を上げると、曲がらずに潰れます。長方形では、 と のうち、短い辺の向きに曲がります。
柱の形は、半波の正弦曲線で描いています。シーソーの釣り合いからは、曲がる形は決まりますが、曲がりの幅 は決まりません( は両側で消えました)。図の幅は、見やすいように決めたものです。
試してみよう0 / 3
- 荷重 30,000 N のまま、長さ L を2倍の 600 mm にする(まだ)
- 長さを戻して荷重を 59,000 N に上げ、降伏応力 σY を2倍の 470 MPa にする(強い材料に替える)(まだ)
- 長さを短くして、細長比 λ を境目 λc より小さくし、荷重を降伏荷重より上げる(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- オイラーの座屈荷重
- 荷重 ÷ 先に限界になる荷重
- 細長比(L÷k)
- 境目の細長比
- 降伏荷重(σY × A)
- 座屈応力(座屈荷重 ÷ 断面積)
ほかの値(5 個)
- 弱い軸の断面二次モーメント
- 断面積
- 断面二次半径(√(I/A))
- 座屈荷重 ÷ 降伏荷重
- 先に限界になる荷重(小さいほう)
途中の計算(導出)を見る
弱い軸の断面二次モーメント(薄いほうの辺で曲がる。I = 長い辺 × 短い辺³ ÷ 12)
断面積と、断面二次半径(I と A から。「断面の太さの目安の長さ」)
細長比(長さが、断面二次半径の何倍か)
オイラーの座屈荷重(両端ピン支持)
座屈応力(座屈荷重 ÷ 断面積。細長比だけで決まる)
降伏荷重(材料が降伏する荷重。強さで決まる)
境目の細長比と、先に起きるのはどちらか
よくある勘違い
「強い材料にすれば、曲がらなくなる」
座屈荷重の式には、材料の強さが出てきません。出てくるのは、硬さ だけです。鋼なら、普通の鋼も高強度の鋼も はほぼ同じ約 206 GPa で、座屈荷重も同じです(強さと硬さの違いは 片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重) を見てください)。
材料を鋼からアルミに替えると、同じ形の柱の座屈荷重は 70/206、約 3分の1です。
「座屈は、材料が潰れること」
座屈と、材料が潰れることは、別です。
| 座屈 | 圧縮による降伏(潰れる) | |
|---|---|---|
| 何が起きるか | 柱が横に曲がる | 材料が縮んで、元に戻らなくなる |
| 決めるもの | 長さ、断面の形、硬さ | 材料の強さ(降伏応力)と、断面積 |
| 起こりやすい柱 | 細くて長い柱 | 太くて短い柱 |
「曲がり出すまでは、柱はまっすぐなまま」
理想的な柱の話では、そうです。
実際の柱は、どれも少しだけ曲がっていたり、荷重が中心から少しずれていたりします。はじめから曲げる効き目がある状態です。そのため、座屈荷重に届く前から、荷重とともに曲がりが少しずつ増えていきます。曲がりの大きい柱ほど、理論値より低い荷重で曲がり込みます。
この公式が使える条件
オイラーの式は、次の条件がそろった、理想的な柱の理論です。
- 両端がピンで、自由に回れる
- まっすぐな柱で、断面は長さ方向にそろっている
- 荷重は、断面の図心に、柱の軸に沿ってかかる
- 材料は均質で、荷重を外すと元に戻る範囲(弾性の範囲)
- 細長比が、境目の より大きい(細長い柱である)
実際の柱は、はじめから少し曲がっていたり、荷重が少し偏ったりしています。そのため、この式の値より低い荷重で曲がり出します。この単元は、理想的な柱の理論です。実際の柱の設計(安全率、座屈曲線、規格の式)は扱いません。

式の導き方(くわしく知りたい人へ)
本文のシーソーは、真ん中の断面だけで釣り合いを見ました。ここでは、柱のすべての高さで釣り合いを見ます。
出発点は、たわみの微分方程式と積分法 の式 です( は柱の横方向のずれ)。
下の端を原点にして、柱に沿って 軸をとります。位置 では、柱が荷重の通る線から だけずれているので、曲げる効き目は です。これを式に入れると、
「曲がり具合が、その場所のずれに比例する」形です。この形を満たすのは、正弦と余弦の曲線です。一般解は です。
下の端がピンなので、 で 。これで 。上の端もピンなので、 で 。
は、まっすぐな柱の解です。曲がった解があるのは、、つまり ()のときだけです。
いちばん小さい が、座屈荷重です。そのときの形は (半波)で、 は式から決まりません。
半波の真ん中の曲がり具合は、 を計算して です。本文の「8 のところが になる」は、これです。円弧の 8 で計算すると、座屈荷重を約 2 割小さく見積もります。
は、中央で曲がりが逆向きになる S 字の形で、荷重は 4 倍です。柱の中央を横から押さえると、こちらが現れます。
こういう問題を、数学では固有値問題と呼びます。弦をはじいたときに、決まった高さの音だけが出るのと同じ形の問題です。
例題
例題1 鋼の丸棒を押す。曲がるのが先? 潰れるのが先?
直径 10 mm の鋼の丸棒(E = 206 GPa、降伏応力 235 MPa)を、両端をピンで支えて、まっすぐ押します。長さは 500 mm です。
(1) 細長比 λ。(2) オイラーの座屈荷重 Pcr。(3) 降伏荷重 PY。(4) 先に起きるのはどちらですか。(5) 同じ棒を 150 mm に切ると、どうなりますか。
ヒント 1 / 2
細長比は (丸棒は )。座屈荷重は 、降伏荷重は 降伏応力 × 断面積 です。
ヒント 2 / 2
、断面積は です。
答えと解き方を見る
断面二次モーメント(丸棒は、どの向きでも同じ)
断面積と、断面二次半径(I と A から。「断面の太さの目安の長さ」)
細長比(長さが、断面二次半径の何倍か)
オイラーの座屈荷重(両端ピン支持)
座屈応力(座屈荷重 ÷ 断面積。細長比だけで決まる)
降伏荷重(材料が降伏する荷重。強さで決まる)
細長比は、長さ ÷ 断面二次半径です。丸棒の断面二次半径は直径の 1/4 なので、k = 2.5 mm、λ = 500 ÷ 2.5 = 200 です。
座屈荷重は約 4.0 kN、降伏荷重は約 18.5 kN で、座屈荷重は降伏荷重の 22% しかありません。強さには余裕があるのに、曲がって使えなくなります。
150 mm に切ると、λ = 60 です。オイラーの式を使うと 44 kN になりますが、その前に降伏荷重 18.5 kN に届いて、材料が潰れ始めます。オイラーの式の値は、降伏の前に座屈が起きるとき(λ が境目より大きいとき)だけ意味があります。
長さを 500 mm から 150 mm(0.3 倍)にしたのに、荷重が耐えられるのは 4.6 倍(3.99 kN → 18.5 kN)にしかなりません。長さの 2 乗に反比例するのは、座屈が先に起きるあいだだけです。
例題2 鋼の定規は、何 N で曲がる?
幅 30 mm、厚さ 1 mm、長さ 300 mm の鋼の定規を、両端を支えて、長さの方向に押します。
(1) 曲がるのは、幅の方向ですか、厚さの方向ですか。弱い軸の I はいくつですか。(2) 座屈荷重 Pcr。(3) 厚さが 2 mm の定規なら、座屈荷重は何倍ですか。(4) 降伏荷重と比べると、座屈荷重は何 % ですか。
ヒント 1 / 2
柱は、I が小さいほうの軸まわりに曲がります。長方形の I は で、h に薄い辺を入れます。
ヒント 2 / 2
薄い方向の I は です。押し潰す力は 235 MPa × 断面積 30 mm² で出します。
答えと解き方を見る
弱い軸の断面二次モーメント(薄いほうの辺で曲がる。I = 長い辺 × 短い辺³ ÷ 12)
断面積と、断面二次半径(I と A から。「断面の太さの目安の長さ」)
細長比(長さが、断面二次半径の何倍か)
オイラーの座屈荷重(両端ピン支持)
長方形の柱は、断面二次モーメントが小さいほうの軸まわりに曲がります。この定規では、薄い方向の I = 30 × 1³ ÷ 12 = 2.5 mm⁴ です。幅の方向の I は 1 × 30³ ÷ 12 = 2,250 mm⁴ で、900 倍あります。
座屈荷重は約 56 N です。56 N は、質量 5.8 kg の物の重さにあたります。定規を指で縦に押すと曲がるのは、このくらいの力です。
降伏荷重は 7,050 N(約 720 kg の物の重さ)なので、座屈荷重はその 0.8% しかありません。定規は、材料が潰れるずっと手前で、曲がります。
厚さを 2 倍にすると、I は 2³ = 8 倍になるので、座屈荷重も 8 倍(452 N)です。
例題3 5 kN で曲がり出す丸棒の太さは?
長さ 1,500 mm の鋼の丸棒(E = 206 GPa)を、両端をピンで支えて押します。5 kN(約 500 kg の物の重さ)で座屈し始めるとき、直径はいくつですか。
(1) 必要な断面二次モーメント I。(2) 直径 d。(3) そのとき、オイラーの式を使ってよいか(細長比を確かめる)。
ヒント 1 / 2
を I について解き、丸棒の から d を出します。最後に、細長比 を境目の 93.0 と比べます。
ヒント 2 / 2
です。
答えと解き方を見る
座屈荷重の式 Pcr = π²EI/L² を、I について解きます。I = Pcr L² ÷ (π² E) = 5,000 × 1,500² ÷ (π² × 206,000) = 5,533 mm⁴ です。
丸棒の I = πd⁴/64 を d について解くと、d = (64 × 5,533 ÷ π)^(1/4) = 18.3 mm です。直径 18.3 mm より細い丸棒は、5 kN で曲がり出します。
確かめると、k = d/4 = 4.58 mm、λ = 1,500 ÷ 4.58 = 327 で、境目の 93.0 よりずっと大きいので、座屈が先に起きます。降伏荷重は 235 × 263.7 = 62 kN もあり、5 kN とは比べものになりません。
この 18.3 mm は、「これより細いと曲がり出す」というぎりぎりの値です。実際の柱は、余裕を見込んで、もっと太くします(初期のたわみや偏心があると、理論値より低い荷重で曲がるためです。本文の「この理論の限界」を見てください)。