こちら記事では材料力学を学んでいく上で欠かせない、力についてを紹介していきます。
こちら記事を読んでいただいている方は、おそらく高校物理を一通り勉強してきたことかと思います。力学を勉強するときは、イメージを働かせながら問題を解いてきたでしょう。
大学の講義で登場する材料力学も、このイメージをしながら考えるというのが非常に大切となってきます。そのためこの記事を読む際にも、イメージを働かせながら読んでください。
目次
力ってなに？どんなイメージをすれば良い？
まず初めに高校で学んできた力についておさらいしていきましょう。「そんなのもうバッチリだよ！」という方は、ここは飛ばしてしまってください。
さて高校で習った『力』についてですが、まずこれを考える際に慣性の法則について触れておく必要があります。例えば机の上に置いてある消しゴムは、なにもしなければ移動をしません。これは、力が働いていない、あるいは力が釣り合っているからでした。
逆に、摩擦が存在しない場合には、動いたものはそのまま同じ速度で動き続けます。こちらが慣性の法則でした。
止まっている物体にも、力を働かせると動きます。机の上に置いて止まっている消しゴムも、デコピンで弾けば飛んでいきますよね。それから、動いている物体にも、力を働かせるとその速度を変えます。もしくは速度がゼロとなって止まるかもしれません。僕たちの生活の中には、『摩擦』というものが存在しますから止まるのは当たり前のようですが、実はこれがないと止めるというのは非常に難しいのです。
さて、ここまで慣性の法則と動きを変える力について解説してきました。これをまとめると、「物体の運動が変化したとき、そこには力が働いている」と考えることができます。要するに人間が物体の運動を変化させるものを「力」と定義されています。
材料力学で出てくる引張力・圧縮力・せん断力とは？
さて、ここからは材料力学で新しく登場するこれらの力について紹介をしていきます。新しく登場すると書きましたが、これらは高校物理の力を少し拡張した考え方ですので、そこまで難しいものではありません。
引張力とは？身近な事例を紹介！
ではまず初めに引張力についてです。下の図をご覧ください。
こちらはわかりやすいように簡略化した図となっていますが、引張力の基本的なイメージはこのようになります。引張力とはその名の通り、「材料の両側を外側に引っ張る力」のことです。
身近な例でいうと、綱引きが挙げられます。綱引きの綱には両側から外側に引っ張る力が働いでいます。
圧縮力ってどんなの？
次に圧縮力についてです。圧縮力は想像しやすいのではないでしょうか。圧縮力とは引張力の反対で、材料の両側から内側に押す力のことです。
例を挙げるとすれば、バネを縮める時には圧縮力を利用します。読んで字のごとく圧縮する力が圧縮力です。
せん断力とは？ハサミが事例？
最後にせん断力の紹介をします。せん断力とはこれもまた文字通り、せん断する力のことです。
上の図のように力が働くと、それをせん断力が働くと表現します。
例えばハサミはせん断力を用いて髪を切ります。一見ハサミは圧縮力を用いているように思えますが、実際には刃と刃にはズレがあるのでせん断力です。もし刃と刃のズレがなければ圧縮力となります。
まとめ
こちらの記事では、力について解説しました。高校物理でも勉強する力は、材料力学を学ぶ上で欠かせない概念です。
材料力学で取り扱う力は、主に引張力・圧縮力・せん断力の3つであり、これらの違いを理解せておくことは非常に重要です。
