【材料力学】身の回りの実用例を5つ紹介します

材料力学とは名前のとおり材料に関する学問であり、様々な構造や物体に関連する重要な要素である。

今回は日常生活で身近にあるものを力学的にひも解くことでこの材料力学という学問の重要性やいかに身近に関わっているものなのかを感じてほしい。

ヒンジ

ヒンジとは別名「蝶番」といわれる、門や扉などに利用されている部品である。

このヒンジは門や扉の開閉により生じる力を支える必要があり、材料力学の原理から設計され適切な材料と形状が選定される。そのため長期間の耐久性と安定性を私たちにもたらしてくれる。

σ = F / A

この公式は応力(σ)を外力(F)と断面積(A)により求める公式であり、この公式によりヒンジがどれほどの応力に耐えられるかを計算し材料の選定や構造の設計を行っている。

アーチ構造は橋梁や建造物に使用される構造形式であり、圧縮力を受けて外部荷重を支える能力に優れている。

古代ローマの建築物に見られるアーチ構造は優れた力学原理により長い間その耐久性を示してきた。

σc = P / A

アーチ構造の設計には圧縮応力(σc)を荷重(P)と断面積(A)により求める必要がある。

これによりアーチが受ける圧縮力を考慮することができ、適切な材料や形状を選定することができる。

梁は建築や構造物において荷重を支える部材として広く利用される。

これらの場所において利用される梁は曲げ応力に対する強度が求められ、材料力学の考え方を用いることで適切な寸法や断面形状を計算によって選定することで暗税制が確保される。

σb = M • y / I

梁は曲げ応力(σb)を曲げモーメント(M)と中立軸からの距離(y)、断面二次モーメント(I)により求めることができる。これにより受ける応力を求めることで安全な梁の選定行っている。

フリクションは摩擦力の性質を表す要素であり、様々な機械や装置で利用されている。

例えばブレーキシステムではフリクションを利用して車輪の回転を抑制し、停止距離の調整を行っている。これにより、安全性の向上と効率的な動作の実現を実現している。

F = µ • N

ここでは摩擦力(F)を摩擦係数(µ)と法線力(N)によって算出することで適切な材料選定と設計を行っている。(*法線力とは力のかかる方向に対して垂直な向きにかかる力のこと)

また、フリクションと聞いて最初に思い浮かぶであろうフリクションボールペンは熱により一度書いたインクが消える仕組みになっており、本製品ではペンの後ろの部分をこすりつけることにより摩擦熱を発生させ一度書いたインクを消している。

そのため、摩擦係数を大きくするためにグリップ力の強い素材を使用していることが上記の式から考えること
ができる。

ワイヤーロープは構造物の指示や運搬などに利用される材料である。

クレーンや索道ではワイヤーロープは重要な役割を果たし、高強度と柔軟性の両方を兼ね備えている。材料力学の観点からワイヤーロープの耐久性や荷重に対しての安全性が評価されることで、安全に利用されている。

σt = F / A

ここでは引張応力(σt)を引っ張り強さ(F)と断面積(A)により算出している。この公式によりワイヤーロープがどれほどの引っ張り強さに対してどれほどの断面積であれば耐えられるのかを計算して設計を行っている。

これらの例からわかるように材料力学は私たちの日常生活に密接に関係している。様々な構造の設計や運用に重要な役割を果たしており、材料の特性や力学的な考えを用いて算出することにより、安全性が高く効率的なものを作り出すことができる。

また、最も基本的な公式を理解してもらうために 5 つの例を出したが、これらの例以外にも世の中に存在するほとんどの建造物やその部品は材料力学の考えが用いられており、枚挙に遑がない。

そのため、材料力学の考えを正しく理解し身の回りの物をこれまでとは違う着眼点で観察してみてほしい。