- 科目
- 材料力学
- 章
- 断面の性質
- 図番
- 05 / 22
- 内容
- シミュレータ・例題3問
同じ材料でも、離してつなぐと7倍曲がりにくい平行軸の定理
軸が図心からずれると、I は「面積 × ずれの2乗」だけ増える。板を離してつなぐと、材料は同じなのに7倍曲がりにくくなる理由。

このページの内容
この単元のポイント
- 同じ板2枚(幅 60 mm・厚さ 10 mm)を、20 mm 離してつなぐと、ぴったり貼り合わせたときの7倍曲がりにくくなる。材料の量は同じ。
- 図心から ずれ だけ平行にずらした軸のまわりでは、。図心のまわりの に、面積 × ずれの2乗を足すだけ。
- 距離 を広げると、まん中の項が出る。この項は、図心のまわりでシーソーが釣り合うので 0 になる。だから には、必ず図心のまわりの値を使う。
同じ板2枚。貼り合わせると曲がり、離してつなぐと曲がらない
同じ薄い板を、2枚用意します。
1組めは、2枚をぴったり重ねて、貼り合わせます。2組めは、2枚の間にすき間をあけ、木片をはさんでつなぎます。
両端を台に載せて、真ん中に同じおもりを載せます。貼り合わせた板は、大きく曲がります。離してつないだ板は、ほとんど曲がりません。

板も、おもりも、材料の量も同じです。では、離してつなぐと、何倍曲がりにくくなるのでしょうか。
予想してから読む幅 60 mm・厚さ 10 mm の板2枚。ぴったり貼り合わせたときと比べて、20 mm 離してつなぐと、曲がりにくさは何倍?
その答えを出す道具が、平行軸の定理です。
道具は、切り口のシーソー
2枚の板を、断面で見ます。上下が同じ形なので、全体の中立軸は、2枚の真ん中を通ります。
板1枚の は、前の単元 断面二次モーメント の長方形の式 で出せます。ただし、それは板自身の図心を通る軸のまわりの値です。板の図心は、全体の中立軸からずれています。
中立軸からずれた板の を、どう直せばよいか。これが、この単元の問いです。
使う道具は、前の単元の「切り口のシーソー」です。断面を、横に薄い帯に切ります。帯の力は、中立軸からの距離 × 面積に比例しました。
その力が切り口を回す効き目は「力 × 距離」です。距離が2回かかるので、帯1本の効き目は面積 × 距離の2乗。全部の帯で足したものが、 でした。
このシーソーの支点は、中立軸です。つまり、図心です。
図心には、もう1つ決まりがありました。図心(断面の中心) の単元で見た、シーソーの釣り合いです。図心から測った「面積 × 距離」は、上と下で同じになります。
この2つの決まりで、ずれた軸の を出します。
軸をずらすと、いくつ増える?
まず、いちばん小さな例で、数を見ます。
面積 1 の小さなかけらが、2つあります。図心を通る軸の上と下に、1 ずつ離れています。シーソーで言えば、上と下に同じおもり。図心はちょうど真ん中です。
は、面積 × 距離の2乗を足したものです。距離はどちらも 1 なので、
では、軸をそのまま下へ 1 だけずらします。かけらは動きません。下のかけらは軸に重なって、距離は 0。上のかけらは遠ざかって、距離は 2 です。
近づいたかけらは、1 から 0 へ。1 だけ減りました。遠ざかったかけらは、1 から 4 へ。3 も増えました。2乗は、遠いほどぐんと大きくなります。だから、増える分が勝ちます。差し引きで、2 から 4 へ、2 だけ増えました。

軸を 2 だけずらすと、距離は 1 と 3 です。。2 から 10 へ、8 だけ増えました。
増えた分を並べます。
| ずれ | 増えた分 | 書きなおすと |
|---|---|---|
| 1 | 2 | |
| 2 | 8 |
前にかかっている 2 は、かけら2つの、全体の面積です。増えた分は「全体の面積 × ずれの2乗」になっています。
どんな形の断面でも、いつもこうなるのでしょうか。
2乗を広げる
どんな形でも言えるかを、式で確かめます。
断面を横に薄い帯に切って、1本の帯を見ます。帯の面積を 、図心を通る軸から帯までの距離を とします。 は、図心より上をプラス、下をマイナスで数えます。
軸を、ずれ だけ平行に下へずらします。帯から新しい軸までの距離は、 です。図心より下の帯でも、この形のまま使えます。 がマイナスなので、その分、近くなります。
帯1本の効き目は、帯の面積 × 距離の2乗でした。
この2乗を広げます。1辺が の正方形を思い浮かべてください。辺を と に分けると、正方形は4つに分かれます。 の正方形が1つ、 の正方形が1つ、そして の長方形が2つです。
数で確かめます。 が 3、 が 2 なら、。4つに分けると、。同じです。
これに帯の面積をかけて、全部の帯で足します( は「全部足す」の記号です)。
① は、図心を通る軸から測った距離でした。だから①は、図心を通る軸のまわりの そのものです。これを と呼びます。
③ ずれ は、どの帯でも同じです。だから を前に出せます。残るのは、帯の面積を全部足したもの。断面積 です。③は になります。
まん中の項は、シーソーで消える
残るのは、まん中の②です。2 とずれ も、どの帯でも同じなので、前に出します。
残るのは、 × 面積を全部足したもの。ここで、シーソーに戻ります。
は、図心から測った距離です。上はプラス、下はマイナスでした。そして、図心のまわりでは、面積 × 距離が上と下で同じです。プラスとマイナスで大きさが同じなので、全部足すと 0 になります。
まん中の項は、消えてしまいます。残ったのは、2つの項です。
この式で、さっきのかけら2つを計算しなおします。図心のまわりの は 2、全体の面積 も 2 です。
どちらも、さっき1つずつ数えた答えと同じです。
この式を、平行軸の定理と言います。図心を通る軸と、それに平行な軸の を結ぶ式だからです。
式を、かたまりに分けて読む
- 自分の曲がりにくさ その部分が、自分の図心のまわりで持っている です。板なら 。薄い板では、とても小さくなります。
- 材料の量 面積が2倍なら、ずれの項も2倍です。
- ずれの2乗 ずれが2倍なら、この項は4倍。3倍なら9倍。離して置くときの主役です。
は、面積を図心の1点に集めたときの効き目です。前の単元で、帯を1点に集めると、遠いほうの材料を取りこぼしました。 は、ちょうどその取りこぼしの分です。
まん中の項が消えたのは、シーソーが図心で釣り合うからでした。だから、 には、必ず図心を通る軸のまわりの値を使います。
板を2枚、離してみる
冒頭の2枚の板に戻ります。板は、幅 60 mm、厚さ 10 mm。これが2枚です。上下が同じ形なので、全体の図心は、2枚の真ん中です。
ずれ は、板の図心から全体の図心までの距離です。板の厚さの半分と、すき間の半分を足した長さになります。
使う式は、平行軸の定理です。板2枚ぶんを足します。
まず、2つの数を枠に入れます。 は、板1枚が 、2枚で 10,000 mm⁴。面積は、板1枚が 、2枚で 1,200 mm² です。
ぴったり貼り合わせたとき(すき間 0)。ずれは、厚さの半分の 5 mm です。
この 40,000 が正しいかを、厚さ 20 mm の1枚の板で確かめます。前の単元の長方形の式で、。同じです。ぴったり貼り合わせれば、1枚の厚い板と同じ、ということです。
すき間を 20 mm あけたとき。ずれは 5 + 10 = 15 mm です。 は 10,000 のまま。板そのものは変わらないからです。
貼り合わせたときと比べます。
ずれが 5 mm から 15 mm へ、3倍になりました。ずれの項は、その2乗で 9倍(30,000 → 270,000)。板自身の 10,000 は動かないので、全体では 7倍です。離してつないだ板は、貼り合わせた板の7倍、曲がりにくくなります。これが、冒頭の問いの答えです。

280,000 のうち、板そのものの分は 10,000 だけです。4% にも届きません。残りの 96% は、ずれの項です。
すき間を変えて並べると、こうなります。「倍率」は、貼り合わせたとき(すき間 0)を 1 とした値です。
| すき間 (ずれ )[mm] | [mm⁴] | 倍率 |
|---|---|---|
| 0(5) | 10,000 + 30,000 = 40,000 | 1 |
| 10(10) | 10,000 + 120,000 = 130,000 | 3.25 |
| 20(15) | 10,000 + 270,000 = 280,000 | 7 |
| 40(25) | 10,000 + 750,000 = 760,000 | 19 |
| 60(35) | 10,000 + 1,470,000 = 1,480,000 | 37 |
すき間を広げても、 の 10,000 は動きません。伸びていくのは、ずれの項だけです。
重ねただけでは、効かない
ただし、この7倍には条件があります。2枚の板が、間の木片と、しっかりつながっていることです。
貼り合わせずに、重ねただけなら、どうなるでしょうか。曲げると、板どうしがすべります。端が階段のようにずれて、1枚ずつ別々に曲がります。
別々に曲がるなら、軸は、それぞれの板の図心を通ります。ずれは 0 です。効くのは の 10,000 mm⁴ だけ。貼り合わせた 40,000 の、4分の1しかありません。

ずれの項を効かせるには、板どうしが、すべらないようにします。接着、溶接、ボルト。これをずれ止めと言います。
実物でも、この形が使われています。箱の形をした橋げた(箱桁)。3枚の板を溶接した H形鋼。2枚の薄い板で軽い芯をはさんだ、サンドイッチパネル。どれも、板を中立軸から離して、ずれ止めでつないでいます。
T形の I も、同じ手順で
平行軸の定理は、上下が非対称な形でも使えます。上の板(フランジ)が幅 80 mm・厚さ 10 mm、立てた板(ウェブ)が厚さ 10 mm・高さ 60 mm の T形で、やってみます。
図心は、図心(断面の中心) の単元と同じ手順で求めます。上の縁から測ると、フランジの位置は 5 mm、ウェブの位置は 10 + 30 = 40 mm です。
図心は、上の縁から 20 mm。フランジの図心は、そこから 15 mm 上。ウェブの図心は、20 mm 下です。
ここでも、シーソーを見ておきます。フランジは、面積 × 距離が 。ウェブは 。上と下で同じです。図心で、ちゃんと釣り合っています。だから、まん中の項は消えて、部品ごとに足すだけで済みます。
使う式は、部品ごとに とずれの項を足す形です。
| フランジ | ウェブ | |
|---|---|---|
| 面積 [mm²] | 800 | 600 |
| ずれ [mm] | 15 | 20 |
| 自分の [mm⁴] | ||
| [mm⁴] | ||
| 合計 [mm⁴] | 186,667 | 420,000 |
4つを足して、 です。
ここで、よくやってしまうのが、 だけを足すことです。6,667 + 180,000 = 186,667 mm⁴。正しい 606,667 の3割ほどしかありません。部品ごとに、ずれの項を必ず足します。
形がどんなに複雑でも、長方形に分ければ、同じ手順で出せます。
どの寸法がいちばん効く?
冒頭の板2枚(幅 60 mm・厚さ 10 mm・すき間 20 mm。 = 280,000 mm⁴)に戻って、寸法を 10% ずつ増やします。
| 変えるもの | の変化 | 理由 |
|---|---|---|
| すき間 を10%広く(20 → 22 mm) | +13% | ずれ は 15 → 16 mm(+6.7%)。2乗で効く |
| 板の厚さ を10%厚く(10 → 11 mm) | +18% | ずれも、面積も、 も、3つとも増える |
| 板の幅 を10%広く(60 → 66 mm) | +10% | ずれは変わらず、材料が同じ割合で増えるだけ |
いちばん効くのは、板の厚さです。ずれ は、すき間の半分だけでなく、板の厚さの半分も含みます。厚くすると、板が外へ広がるうえに、材料も増えるからです。
すき間を 10% 広げても、ずれは 6.7% しか増えません。それでも、ずれの項は2乗で効くので、 は 13% 増えます。
動かしてみよう
板の幅・厚さ・すき間を動かして、 の内訳を見てください。すき間を広げると、緑の (板自身)は動かず、朱色の (ずれの項)だけが伸びていきます。すき間を 0 に戻すと、どうなるでしょうか。
試してみよう0 / 3
- すき間 g を 0 にして、2枚をぴったり貼り合わせる(まだ)
- すき間 g を2倍の 40 mm に広げる(まだ)
- すき間を 20 mm に戻し、板の幅 b を2倍の 120 mm にする(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 断面積
- 軸のずれ(組み立てた断面の図心から、板の図心までの距離)
- 図心まわりの I(I₀)の合計
- A d² の合計(ずれの項)
- 断面二次モーメント
- 間隔 0(くっつけた)ときの I
- I の比(間隔あり ÷ 間隔 0)
途中の計算(導出)を見る
軸のずれ(組立の中立軸から、板の図心まで。板の厚さの半分と、すき間の半分を足す)
断面積(板2枚)
板が自分の図心まわりで持つ I(板2枚ぶん)
軸がずれた分(板の A × d² を、2枚ぶん足す)
組立断面の I(平行軸の定理)
間隔 0(2枚をぴったり貼り合わせた、厚さ 2t の1枚板と同じ)の I
I の比(すき間をあけてつなぐと、貼り合わせたときの何倍になるか)
つまり、ものを作るときは
材料を増やさずに曲がりにくくしたいなら、板を中立軸から離して、つなぎます。箱桁、板3枚を溶接した H形鋼、2枚の板で芯をはさんだサンドイッチパネルが、この考え方です。
離した板は、ずれ止めがなければ、1枚ずつ別々に曲がります。接着・溶接・ボルトのずれ止めが、離した効果を出す部分です。薄い板を接着で一体にした合板も、ずれ止めの例です。
ただし、離しすぎると、間の材料や、薄い板そのものが、つぶれたり、波打ったりします。離す距離には限度があります(オイラーの座屈荷重 の単元で関連する話を扱います)。

よくある勘違い
「軸が図心から離れるほど、I は小さくなる」
逆です。ずれの項 は2乗なので、マイナスになりません。軸が図心から離れると、必ず増えます。だから、図心を通る軸の が、平行な軸の中でいちばん小さくなります。
「長方形の I は、どの軸でも で出せる」
は、図心を通る軸のまわりの値です。軸がずれたら、ずれの項を足します。
たとえば、幅 30 mm、高さ 60 mm の長方形。図心のまわりは 540,000 mm⁴ です。軸を下の縁まで、30 mm ずらします。
2,160,000 mm⁴。図心のまわりの4倍です。下の縁のまわりの式 と、同じ値になります。
「重ねれば、貼り合わせたのと同じ」
重ねただけでは、板がすべって、別々に曲がります。 は、板自身の の和にとどまります。板2枚の例では 10,000 mm⁴ で、貼り合わせた 40,000 の4分の1。すき間 20 mm でつないだときのずれの項 270,000 は、 の和の 27倍です。
この単元で使う前提
- 2つの軸は平行。そして一方は、断面全体の図心を通る軸
- 組み立てた断面は、ずれ止めで一体になっている(板どうしがすべらない)
- 板はすべて、同じ材料(縦弾性係数が同じ)
- 長さの単位をそろえる(mm で入れると、 は mm⁴ で出る)
図心を通らない2本の軸のあいだは、直接移せません。いったん、図心のまわりの値に戻してから移します。
式の導き方(積分で書くと)
本文の「全部足す」 を、帯を限りなく薄くした積分で書きます。
図心を通る軸から帯までの距離を 、帯の面積を とします。図心のまわりの です。
軸を だけ平行にずらすと、同じ帯までの距離は です。
1つ目は 、3つ目は です。
2つ目の は、図心の定義そのものです。図心は、「図心からの距離 × 面積を足すと 0 になる点」でした(図心の単元のシーソーの決まり)。よって2つ目は 0 で、
組み立てた断面:板が何枚あっても、それぞれの板に ( は、全体の図心から、その板の図心まで)を当てて、全部足します。
例題
例題1 2本の角材を離して接着したはり
30 × 30 mm の角材を2本、30 mm のすき間をあけて上下に並べ、すき間に木片をはさんで、すべて接着しました。はりの幅は 30 mm です。
(1) 軸のずれ d(はりの中立軸から、角材の図心まで)。(2) はりの断面二次モーメント I。(3) 2本をすき間なく貼り合わせた 30 × 60 mm の角材の I は、いくらで、(2) はその何倍ですか。
ヒント 1 / 2
平行軸の定理 を、角材2本ぶん足します。ずれ は、角材の厚さの半分と、すき間の半分の和です。
ヒント 2 / 2
角材1本の は mm⁴、面積は mm² です。
答えと解き方を見る
軸のずれ(組立の中立軸から、板の図心まで。板の厚さの半分と、すき間の半分を足す)
断面積(板2枚)
板が自分の図心まわりで持つ I(板2枚ぶん)
軸がずれた分(板の A × d² を、2枚ぶん足す)
組立断面の I(平行軸の定理)
間隔 0(2枚をぴったり貼り合わせた、厚さ 2t の1枚板と同じ)の I
I の比(すき間をあけてつなぐと、貼り合わせたときの何倍になるか)
材料の量は同じです。木片の分を考えないとすれば、2本をはなして置くだけで、曲がりにくさが 3倍以上になります。
接着せず、重ねただけなら、角材は別々に曲がります。I は、各角材の I₀ の和(135,000 mm⁴)にとどまります。
例題2 T形の I と、上端まわりの I
上の板(フランジ)が幅 100 mm・厚さ 20 mm、立っている板(ウェブ)が幅 20 mm・高さ 80 mm の T形があります。全体の高さは 100 mm です。図心は、上端から 32.22 mm のところにあるものとします(図心の単元と同じ手順で求めた値です)。
(1) 図心から、フランジの図心と、ウェブの図心までの距離。(2) 図心を通る水平な軸まわりの I。(3) 上端を通る水平な軸まわりの I。
ヒント 1 / 2
フランジとウェブのそれぞれで を出して足します。 は、全体の図心から各部分の図心までの距離です。(3) は、全体の I に、もう一度 を足します。
ヒント 2 / 2
フランジの図心は上端から 10 mm、ウェブの図心は上端から 60 mm。全体の図心は上端から 32.22 mm です。
答えと解き方を見る
各部分の d(図心は上端から 32.22 mm。フランジの図心は上端から 10 mm、ウェブの図心は上端から 60 mm)
各部分の I₀ + A d²
上端まわり:全体の I に、A d²(d は上端から図心まで)を足す
(3) は、上端から見た各部分で直接足しても出ます。フランジは 100 × 20³ ÷ 3 = 266,667、ウェブは 20 × 80³ ÷ 12 + 1,600 × 60² = 6,613,333。合わせて 6,880,000 mm⁴ で、同じになります。
図心を通る軸まわりの I は、どの軸まわりの I よりも小さくなります。軸が図心から離れると、A d² の分だけ必ず増えるからです。
例題3 板3枚で作る H形
幅 100 mm・厚さ 10 mm の板を2枚(フランジ)と、厚さ 8 mm・高さ 100 mm の板を1枚(ウェブ)、溶接して H形(高さ 120 mm)を作りました。
(1) 組立断面の I。(2) 高さ 120 mm・幅 100 mm・フランジ厚 10 mm・ウェブ厚 8 mm の H形の式(断面二次モーメントの単元で扱った式)から出した I と、一致するか。(3) I のうち、フランジの A d² の2枚ぶんは、何% ですか。
ヒント 1 / 2
3枚の板それぞれで を出して足します。ウェブの図心は中立軸の上にあるので、 です。
ヒント 2 / 2
フランジの図心は、中立軸から mm 離れています。フランジ1枚の面積は mm² です。
答えと解き方を見る
ウェブの I₀(図心が中立軸の上にあるので、d = 0)
フランジ1枚:I₀ + A d²(d = 55 mm)
合計(ウェブ + フランジ2枚)
板3枚を足し合わせた答えと、H形の式の答えは、きっちり一致します。H形の式は、平行軸の定理を使って、あらかじめ1本にまとめたものだからです。
フランジの I₀ は、2枚で 16,667 mm⁴ しかありません。I のほとんど(約 9割)は、フランジが中立軸から離れている分の A d² です。ウェブは、中立軸のそばにあるので、材料は多いのに(断面積 800 mm²)、I への貢献は 1割ほどです。