材料の機械的性質:剛性とたわみ

前回の記事では、応力-ひずみ曲線と材料強度—引張強度、降伏強度、破壊強度などの様々な側面との関係を調べました。 また、材料や構造物を強度の観点から考えることがよくありますが、技術的には、「強度」とは、永久的な変形や故障が発生する前に材料がどれだけの力に耐えられるかの尺度です。 しかし、リニアガイド、アクチュエータ、およびその他のモーションコンポーネントを適切に実行するためには、通常、与えられた荷重の下でオブジェクトがどの

材料の剛性は、加えられた荷重が除去された後に元の形状または形状に戻る能力を示します。

材料が荷重を受けると、それ自身の支えられていない重量、外部に加えられた荷重、またはその両方が応力とひずみを経験します。 応力(σ)は、荷重によって引き起こされる材料の内部力であり、ひずみ(σ)は、この応力から生じる材料の変形である。

応力とひずみ

応力とひずみの比は、材料の弾性率、引張弾性率、またはヤング率とも呼ばれます。

フックの法則によれば、弾性率は、応力-ひずみ曲線の直線部分の比例限界(”弾性限界”とも呼ばれます)までの傾きであり、以下に点Aとしてラベル付けされています。

応力とひずみ

強い材料は、永久変形せずに高荷重に耐えることができます。 硬い材料は、弾性変形なしに高荷重に耐えることができます。 時々強さか剛さと混同される別の物質的な特性は硬度です。 硬度は、多くの場合、摩擦または摩耗による局所的(表面)変形に抵抗する材料の能力を定義します。

強度とは異なり、材料の剛性、または弾性率は材料の固有の特性であり、温度や材料加工などの外部要因はその値にほとんど影響しません。

しかし、実際の用途では、構造物の剛性は、平面慣性モーメント(面積の第二モーメントとも呼ばれる)の観点から、材料弾性率と構造物の形状の両方に依存す 平面慣性モーメントIは、材料の面積が運動軸の周りにどのように分布するかを表します。

弾性係数と平面慣性モーメントの積は、材料の曲げ剛性(EI)と呼ばれることがあります。

たわみの方程式では、弾性係数(E)と平面慣性モーメント(I)の両方の剛性係数が分母に現れます。 これは、たわみが剛性に反比例するため理にかなっています。

ビーム偏向

梁のたわみ
中心に点荷重を持つ単純支持梁の総たわみ。 弾性係数(E)と平面慣性モーメント(I)は、方程式の両方の部分の分母にあることに注意してください。
画像提供:ウィキペディアcom

つまり、材料弾性率が高く、物体の平面慣性モーメントが高いほど、所与の荷重下での構造物のたわみが小さくなります。

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