- 科目
- 材料力学
- 章
- はりの曲げ
- 図番
- 06 / 22
- 内容
- シミュレータ・例題3問
はりのいちばん危ない場所は、グラフで見つかるせん断力図と曲げモーメント図
はりを切って、片側をシーソーと見る。上下の力の釣り合いから、ずらす力(V)。力 × 距離の釣り合いから、曲げモーメント(M)。M のグラフの傾きが V で、V がプラスからマイナスに変わる場所が、いちばん危ない。

このページの内容
この単元のポイント
- はりを切って、片側だけをシーソーと見ます。上下の力の釣り合いからせん断力 、「力 × 距離」の釣り合いから曲げモーメント が出ます。
- のグラフの傾きが です。 がプラスからマイナスに変わる場所で、 が最大になります。
- 同じ長さ・同じおもりでも、片持ちばりの の最大は、両端を支えたはりの4倍です。
橋の、いちばん危ない場所はどこ?
橋の上を、トラックが渡ります。橋げたの、いちばん危ない場所はどこでしょうか。
予想してから読む後ろの車軸が前の車軸の2倍重いトラックが、橋の真ん中あたりにいます。橋げたをいちばん強く曲げているのは、どこでしょうか。
真ん中だと思うかもしれません。
でも、トラックの重さは、前と後ろの車軸に分かれてかかっています。後ろの車軸のほうが、ずっと重いトラックもあります。いちばん危ない場所は、真ん中とは限りません。

その場所をひと目で見つける道具が、この単元の2つの図、せん断力図(SFD)と曲げモーメント図(BMD)です。答えは、最後の「トラックの答え」で出します。
はり全体を、シーソーと見る
図心(断面の中心) の単元のシーソーを思い出します。支点から 1 m に 2 kg、反対側の 2 m に 1 kg を載せると、シーソーは水平に止まりました。
止まっているとき、決まりが2つ成り立っています。この単元では、この2つだけを使います。
シーソーが止まっているときの、2つの決まり
- 決まり1 上向きの力 = 下向きの力。支点は、2 kg と 1 kg、合わせて 3 kg ぶんを押し上げています。
- 決まり2 力 × 距離が、逆向きどうしで同じ。 です。
断面の章で「回す効き目」と呼んできたのが、決まり2の「力 × 距離」です。
この2つの決まりを、はりに当てます。長さ 1.5 m のはりを、2つの台に渡します。左の台から 0.5 m のところに、3 kN のおもりをつるします。左右の台は、どれだけの力で支えているでしょうか。
右の台を、シーソーの支点と見ます。左の台の力と、おもりは、はりを逆の向きに回そうとします。左の台の力は支点から 1.5 m、おもりは支点から 1 m です。
決まり2の式を、先に置きます。
数を入れます。
両辺を 1.5 でわります。
次は決まり1です。上向きの力の合計は、おもりと同じ 3 kN です。だから、右の台の力は残りの分です。
おもりに近い台ほど、大きく支えます。上下を逆さにして見ると、シーソーと同じ形です(台が支点、おもりの代わりに台の力)。
切って、片側だけをシーソーと見る
次は、はりの中の力です。見えない面で、はりを途中で切ったと考えます。
切る前は、切り口の左と右が材料でつながって、おたがいを支えています。ぴんと張ったロープの左右が、内側で引き合っているのと同じです。

左側だけを取り出して、つながっていた力を切り口に描き足します。取り出した左側も、止まっています。だから、シーソーの2つの決まりが、左側だけでも成り立ちます。

左の台から 0.2 m のところで切ります。
決まり1。 左の台は、2 kN で押し上げています。左側が浮き上がらないためには、切り口で右側が 2 kN で押し下げているはずです。
この、切り口を上下にずらそうとする力を、せん断力と言います。記号は です。
決まり2。 今度は、切り口をシーソーの支点と見ます。左の台の力は、切り口から 0.2 m 離れています。
左側が回らないためには、切り口で右側が、同じ 0.4 kN·m で逆向きに回し返しているはずです。
図心の単元から使ってきた「力 × 距離」に、ここで名前が付きます。曲げモーメントです。記号は です。単位は kN·m(キロニュートンメートル)で、 です。
まとめると、 は切り口をずらす力、 ははりを曲げようとする回す効き目です。どちらも、切り口の左側にある力だけで決まります。
右側だけを見ても、大きさは同じ答えになります。はり全体が止まっているからです。荷重の少ない側を見ると、計算が楽です。
向きは、プラスとマイナスで分ける
も も、向きをプラスとマイナスで分けます。位置 は、左端(片持ちばりでは、壁に固定した端)から測ります。
| プラス(+) | 見分け方 | |
|---|---|---|
| せん断力 | 切り口の左側が、右側より上にずれる向き | 左側にある上向きの力のほうが大きい |
| 曲げモーメント | はりが、下に凸に曲がる向き | 両端を台に載せて、上から押したとき |

さっきの切り口は、左の台に押し上げられているので、 です。はりは下に凸に曲がるので、 もプラスです。
壁から突き出した棒の先に、おもりをつるすと、棒は上に凸に曲がります。このときの はマイナスです。
図は、 も も、プラスを上に描きます。教科書によっては、 を、はりが引き伸ばされる側(下側)に描くので、上下が逆に見えます。描く向きが違うだけで、符号の約束は同じです。この約束は、たわみの微分方程式と積分法 の単元でも、そのまま使います。
切る位置を動かして、図を描く
さっきのはりで、切る位置を左から右へ動かしていきます。
おもりより左の区間。 ここで切ると、左側にある力は、左の台の 2 kN だけです。だから は、どこで切っても +2 kN です。
は、2 kN × 切り口までの距離です。距離が延びるほど、 はまっすぐ大きくなります。おもりの真下では、次のとおりです。
おもりを越えた区間。 左の台から 1 m で切ります。左側には、上向きの 2 kN と、下向きの 3 kN が入っています。
おもりのところで、 はおもりの 3 kN だけ、階段のように下がります。
は、切り口を支点にしたシーソーで考えます。左の台の力は 1 m 離れて、プラスの向きに回します。おもりは 0.5 m 離れて、逆向きに回します。
右の台の真上。 左側には、はり全体が入ります。 は、右の台の 1 kN が加わって、0 に戻ります。
右の端で、 も も 0 に戻りました。0 に戻らなければ、台の力か、途中の足し算をまちがえています。この確かめ方は、どんなはりでも使えます。
できた図を見ると、 がいちばん大きいのは、おもりの真下で、1 kN·m です。そこは、 がプラスからマイナスに変わる場所でもあります。
M の傾きは、V
なぜ が変わる場所で、 が頂上になるのでしょうか。切る位置を少しだけずらして、シーソーで見ます。
おもりより左で、切る位置を 0.1 m 右へずらします。左の台の力は、切り口から 0.1 m 遠くなります。だから、回す効き目が増えます。
0.1 m 進むごとに、 は 0.2 ずつ増えます。この 2 は、 の 2 です。
おもりを越えたところでも、0.1 m ずらします。左の台の力は 0.2 増やします。おもりは逆向きなので、 減らします。
これも、 と、進んだ 0.1 m のかけ算です。
つまり、 の増え方は「 × 進んだ距離」です。言いかえると、 のグラフの傾きが です。教科書では、微分の形で書きます。
がプラスのあいだ、 のグラフは上り。マイナスになると下りです。上りから下りに変わる場所が、 の頂上です。だから の最大は、 がプラスからマイナスに変わる場所にあります。

逆に、 は、 を左から積み上げて作れます。 の図の面積が、 の増えた量です。左の台からおもりまで、 が 0.5 m 続くので、 増えます。おもりの真下の と同じです。
基本のはりを、同じ手順で
はりの基本の形は、支え方と荷重のかけ方で4つあります。どれも、切って、片側をシーソーと見る手順は同じです。長さはどれも 1.5 m です。
両端を支えて、真ん中に 3 kN
左右が同じ形なので、台は半分ずつ、1.5 kN を支えます。 は +1.5 kN から、真ん中で −1.5 kN へ下がります。だから の頂上は真ん中です。
真ん中で切ると、台の力 1.5 kN は、切り口から 0.75 m 離れています。
言葉で書くと、荷重の半分 × 長さの半分です。2つの半分で、荷重 × 長さの 4分の1 になります。
壁から突き出して、先に 3 kN
壁の側には、壁が支える力が入ります。そこで今度は、先の側だけを取り出します。先の側には、おもりの 3 kN だけです。 は、どこで切っても 3 kN です。
は、3 kN × 先までの距離です。壁のところで、いちばん大きくなります(向きは上に凸なので、マイナスです)。
両端を支えたはりの 1.125 kN·m の、ちょうど4倍です。理由は2つあります。
壁から長く突き出した棚受けを、根元でいちばん強く作るのは、このためです。
荷重を全長に広げた2つ
荷重を、1 m あたり 3 kN で全長に広げてかけます(合計 4.5 kN)。広げた荷重の記号は です。手順は同じです。
切る位置を動かすと、片側に乗る荷重が少しずつ増えます。だから は斜めの直線です。 の傾きは でした。 が少しずつ変わるので、 は曲線(放物線)になります。
広げた荷重は、図心(断面の中心) の単元の板の重さと同じで、その真ん中にまとめて考えてかまいません。
壁から突き出した棒では、先の側の荷重 4.5 kN を、真ん中(壁から 0.75 m)にまとめます。
両端を支えたはりでは、台が 2.25 kN ずつ支えます。真ん中で切ると、左半分の荷重 2.25 kN が、切り口から 0.375 m のところにまとまって、逆向きに回します。
4つを並べると、荷重のかけ方と図の形が、次のようにつながっています。
| 荷重のかかり方 | の図 | の図 |
|---|---|---|
| 荷重の無い区間 | 水平(一定) | 直線(傾きが ) |
| 1点にかかる荷重の位置 | 荷重の分だけ、階段状に下がる | 折れ曲がる(山の頂上や角) |
| 広げた荷重の区間 | 斜めの直線(傾きが ) | 放物線 |
どの数字が、いちばん効く?
はりを2倍に長くすると、 はどれだけ増えるでしょうか。
真ん中に1点の荷重。 は、台の力 × 長さの半分でした。長さを2倍にしても、台の力は荷重の半分のまま。距離だけが2倍になります。
全長に広げた荷重。 長さを2倍にすると、広げた荷重の合計も2倍になります。まとめた力も、そこまでの距離も2倍。だから は4倍です。
1割(10%)ずつ変えたときの変わり方も、並べておきます。
| 変えるもの | 真ん中に1点(、) | 全長に広げる(、) |
|---|---|---|
| 荷重( か )を10%大きく | M +10%、V +10% | M +10%、V +10% |
| 長さ を10%長く | M +10%、V ±0% | M +21%、V +10% |
| 長さ を2倍 | M 2倍、V 変わらない | M 4倍、V 2倍 |
片持ちばりも、長さへの効き方は同じです(1点の荷重は 、広げた荷重は )。
最後に、同じ重さを1点にまとめるか、全長に広げるか、を比べます。合計 4.5 kN を真ん中にまとめると、 です。
真ん中で切ると、台の力の効き目は、どちらも同じ です。ただ、広げたほうは、左半分に乗った荷重が逆向きに回します。力は台と同じ 2.25 kN で、距離は半分。だから、ちょうど半分を打ち消します。
広げてかけると、 は、まとめてかけたときの半分になります。
つまり、ものを作るときは
はりの支え方で、 は大きく変わります。同じ長さ・同じ荷重でも、片持ちばりは、両端を支えたはりの4倍です。棚受けを長く突き出すときは、根元の断面を、特に強くします。
BMD で が大きい場所は、断面を大きくします。両端を台に載せた橋げたが、中央で高く、端で低く作られていることがあるのは、このためです(いくつもの橋脚で支える橋は、逆に、橋脚の上で が大きくなるので、そこを高くします)。 が小さい端では、材料を減らせます。
重い荷物は、台に近い位置に置くほど、 が小さくなります。床に置く重い物は、広げて置くほど が小さくなります。
トラックの答え
冒頭のトラックに戻ります。橋の長さは 6 m。前の車軸は 40 kN で、左の橋台から 2 m。後ろの車軸は 80 kN で、その 1.5 m 後ろ(左の橋台から 3.5 m)です。
橋台が支える力。 右の橋台をシーソーの支点にします(決まり2)。前の車軸は支点から 4 m、後ろの車軸は 2.5 m です。
V の図。 左から描きます。左の橋台で +60 kN。前の車軸で 40 下がって +20 kN。後ろの車軸で 80 下がって −60 kN です。
がプラスからマイナスに変わるのは、後ろの車軸の下です。だから の頂上は、そこにあります。
後ろの車軸の真下で切る。 左側をシーソーと見ます。左の橋台の 60 kN は 3.5 m 離れて、前の車軸の 40 kN は 1.5 m 離れて逆向きに回します。
真ん中で切ると。
後ろの車軸の真下の 150 kN·m のほうが、真ん中の 140 kN·m より大きくなります。いちばん危ない場所は、真ん中ではなく、重い後ろの車軸の真下でした。
トラックが進むと、車軸の位置が変わり、図も変わります。動く荷重は、位置ごとに図を描いて、いちばん大きい を探します。
M が最大の場所から、折れる
割り箸の両端を支えて、真ん中を指で押すと、真ん中から折れます。 が最大の断面です。

はりのどこが壊れやすいかは、まず BMD で が最大の位置を探します。この単元のはりなら、おもりの真下の です。
次は、 が分かったとき、断面のどこに、どれだけの応力が出るか、です。割り箸を曲げると、なぜ外側からひびが入るのか。その答えも、ここから出てきます。次の 曲げ応力の式 の単元で、この を鋼の角棒の縁の応力に直します。
動かしてみよう
はりの種類を選び、荷重のスライダーを動かして、V の図と M の図の高さが、どう変わるかを見てください。次に、長さ を2倍にして、上の表のとおりに M と V が変わることを確かめます。
「単純支持・任意の位置」を選ぶと、荷重の位置 を動かせます。荷重を左の台に近づけると、左の台の力が大きくなって、V の階段が高くなります。M の山の頂上は、荷重と一緒に動きます。
青い点線は、切っている位置 です。最初は、本文と同じ 0.2 m です。動かして、V が 0 を横切る位置で、M が頂上になることを見てください。
試してみよう0 / 3
- 切る位置 x を、おもりを越えた 1 m に動かして、図の V と M の数字を見る(まだ)
- 切る位置 x を、V が 0 を横切る 0.5 m に合わせる(まだ)
- 「片持ち・先端荷重」に切り替えて、同じ P = 3 kN・L = 1.5 m の M の最大を、「単純支持・中央荷重」の 1.125 kN·m と比べる(まだ)
左右の端を支えたはり。位置 x は、左端から測ります。V は上向きが正、M は下に凸に曲げる向きが正です。青い点線は、切っている位置です。黒い破線は、比べる相手(初期値)です。縦の高さは相手とそろえ、横は長さによらず同じ幅に描きます。
- 左の支点の反力
- 右の支点の反力
- 最大せん断力(絶対値)
- 最大曲げモーメント(絶対値)
- M が最大の位置(左端から)
いちばん曲げられるのは、荷重がかかる位置(V が + から − に変わる位置)です。ここがいちばん壊れやすい断面になります。
求め方を見る(単純支持・任意の位置に荷重)
右の台を支点と見て、力 × 距離の釣り合いから左の台の力。右の台は残り。荷重に近い台ほど、大きく支える
荷重より左では V = +RA、右では −RB。荷重の位置で、V は P だけ下がる
M は、V が + のあいだ上がり、− になると下がる。頂上は、V が + から − に変わる荷重の位置
最大。V の最大は、荷重に近い台の側
よくある勘違い
「V が大きい場所が、いちばん危ない」
ちがいます。両端を支えて、真ん中に荷重をかけたはりで見ます。
の大きさは、台から真ん中まで、どこでも同じ()です。でも、台のところで は 0 です。そして、 がいちばん大きい真ん中で、 は 0 を通ります。
ずらす力が 0 の場所で、はりはいちばん強く曲げられています。「 なら、何の力も働いていない」も、同じ勘違いです。
| 何を表すか | 最大になる場所(両端を支えたはり・真ん中に荷重) | |
|---|---|---|
| せん断力 | 切り口を、上下にずらす力 | 台から荷重までの全区間(大きさ )。そのうち台の上では |
| 曲げモーメント | はりを曲げようとする回す効き目(力 × 距離) | 荷重の位置(真ん中)。そこで は 0 を通る |
「M の図は、はりの曲がった形」
これもちがいます。BMD は、曲げモーメントの大きさのグラフです。
壁から突き出した棒で比べると、形がちがいます。先に荷重をかけると、 の図は先端で 0 の直線です。でも、はりは先端でいちばん下がります。はりがどんな形に曲がるかは、たわみの微分方程式と積分法 の単元で、 から求めます。
この図が使える条件
- はりの重さは考えません。重さが無視できないときは、自重を広げた荷重として足します。
- 荷重は、静かにかけて、動かさない場合です。動く荷重(トラック)は、位置ごとに図を描いて、いちばん大きい図を探します。
- 1点にかかる荷重は、1点にかかる、と見なした理想化です。実際は、小さな面積にかかっています。
- 細長いはりで、たわみが長さに比べて十分小さい場合です。
V = dM/dx の導き方(くわしく知りたい人へ)
本文では、切る位置を 0.1 m ずらして見ました。その幅を、ごく短い にします。
はりから、長さ の短い部分を切り出します。左の切り口には と 、右の切り口には と が働いています。荷重は、広げた荷重で (下向き)とします。
決まり1(上下の力の釣り合い)から、
の傾きは、 です。荷重の無い区間では、傾きが 0 で、 は水平になります。
決まり2(右の切り口まわりの、力 × 距離の釣り合い)から、 の2乗の項を小さいとして消すと、
です。2つを合わせると、。たわみの微分方程式 (たわみの微分方程式と積分法)から、さらに が出ます。荷重 → せん断力 → 曲げモーメント → たわみ角 → たわみと、1回積分するごとに、1つ先の量が出てきます。
例題
例題1 2つの台に渡した棒に、おもりをつるす
長さ 1.2 m の鋼の角棒(幅 30 mm、高さ 60 mm)を、2つの台に渡します。左の台から 0.3 m のところに、2.4 kN(約 245 kg)のおもりをつるします。棒の重さは考えません。
(1) 左右の台が支える力。(2) せん断力 V の最大。(3) 曲げモーメント M の最大と、その位置。
ヒント 1 / 2
右の台をシーソーの支点と見て、力 × 距離の釣り合い(決まり2)から、左の台の力を出します。M の最大は、V が + から − に変わる場所で切ります。
ヒント 2 / 2
おもりから右の台までは m。だから です。
答えと解き方を見る
荷重から右の台までの距離
左の台の力(右の台を支点と見て、力 × 距離の釣り合いから)
右の台の力(上向きの力の合計は、荷重と同じ)
せん断力の最大(荷重より左では +RA、右では −RB。大きいほうの絶対値)
曲げモーメントの最大(V が + から − に変わる、荷重の位置で切る。左の台の力 × 距離)
おもりに近い左の台が、遠い右の台の3倍の力を支えています(1.8 kN と 0.6 kN)。
V は、左の台から荷重までは +1.8 kN のまま変わらず、荷重の位置で 2.4 kN だけ下がって、右の台まで −0.6 kN です。V が + から − に変わる荷重の位置で、M が最大になります。
この棒の縁にどれだけの応力が出るかは、曲げ応力の式の単元の例題4で、(3) の M から求めます。
例題2 壁から突き出した棚受けに、本が並ぶ
壁に固定した、長さ 0.8 m の棚受けの棒に、本が全長に並んでいます。重さは 1 m あたり 0.5 kN(全体で 0.4 kN、約 41 kg)で、一様とします。
(1) 壁の断面の V と M。(2) 壁から 0.4 m のところの V と M。(3) 壁の M は、壁から 0.4 m のところの M の何倍か。
ヒント 1 / 2
壁の側には壁の力が入るので、先の側だけを取り出します。広げた荷重は、その真ん中にまとめて考えます。
ヒント 2 / 2
壁で切ると、先の側の荷重は全部の kN。まとめる位置は、壁から 0.4 m です。
答えと解き方を見る
壁から 0.4 m で切り、先の側だけを見ます。残る荷重は 0.2 kN で、V はその 0.2 kN、壁の半分です。残った荷重を、その真ん中(切り口から 0.2 m 先)にまとめると、M = −0.2 × 0.2 = −0.04 kN·m です。
M の符号が負なのは、片持ちばりが上に凸に曲がる(根元の上側が引っ張られる)からです。壊れやすいのは、壁の上側です。
壁から半分の位置で、V は 2分の1、M は 4分の1です。荷重は一様でも、根元に近づくほど、M は急に大きくなります。
例題3 おもりと荷重が、同時にかかる
長さ 2 m の、両端を台に載せたはりの中央に 1 kN のおもりをつるし、さらに全長に 1 m あたり 0.5 kN(全体で 1 kN)の荷重がかかっています。
(1) 左の支点の反力。(2) せん断力の最大。(3) 曲げモーメントの最大。(4) (3) を、おもりだけの M と、等分布だけの M の和と比べる。(5) 荷重の合計 2 kN を、全部中央にまとめたら、M の最大は何倍になるか。
ヒント 1 / 2
左右が同じ形なので、台は荷重の合計の半分ずつを支えます。M の最大は、V が 0 を横切る真ん中です。
ヒント 2 / 2
荷重の合計は、おもり 1 kN と広げた荷重 kN で、2 kN です。
答えと解き方を見る
荷重が2種類あっても、V も M も、1種類ずつ求めて足せば同じ答えになります(荷重どうしは、たがいに影響しません)。
最大の M は、中央にあります。V は、おもりのすぐ左では +0.5 kN、右では −0.5 kN と符号が変わります。
同じ 2 kN でも、広げてのせると、中央にまとめてのせるより M は小さくなります。この例では、まとめると 1 kN·m で、この例の 0.75 kN·m の約 1.33 倍です。