科目
材料力学
章
はりのたわみ
図番
11 / 22
内容
シミュレータ・例題3問
材料力学 11 / 22

重い物は、壁際に置くほど棚が楽になる片持ちばりのたわみ(等分布荷重)

荷重が全体に広がると、先端のたわみは先端荷重の3/8。重いものを壁際に置くと楽になる理由と、長さの4乗。

家の壁から張り出した庇を真横から見たところ。雪が全体に均等に積もり、庇は先端の雨どいとともにわずかに下がっている

まず触ってみる

数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。

このページの内容
  1. 張り出した屋根、バルコニー、飛行機の翼
  2. 公式はこれ
  3. 公式を、3つのかたまりに分けて読む
  4. 「8」の出どころ 曲がりを、先端から見る
  5. 先端の1点にかけたときと比べる
  6. 自分の重さで曲がる
  7. どの数字がいちばん効く?
  8. 庇に戻る
  9. 動かしてみよう
  10. よくある勘違い
  11. この公式が使える条件
  12. 例題

この単元のポイント

  1. 壁から突き出した棒に、荷重が全体に広がってかかると、先端のたわみは w L4/(8 E I)\sw\,\sL^4/(8\,\sE\,\sI)。
  2. 同じ重さなら、先端の1点にかけるより、たわみは 3/8、根元の曲げ応力は 1/2。
  3. 自分の重さのように、長さとともに荷重も増えるときは、長さを2倍にするとたわみは16倍。

前の単元との違い支え方は前の単元(片持ち・先端に集中荷重)と同じです。荷重が先端の1点ではなく、全体に広がってかかります。

張り出した屋根、バルコニー、飛行機の翼

駐輪場の屋根、ビルのバルコニー、家の庇(ひさし)、飛行機の翼。どれも、片方の端だけが固定されて、反対側が空中に張り出しています。

しかも、荷重は先端の1点ではなく、全体に広がっています。雪や人の重さ、そして、張り出した部分自身の重さです。飛行機の翼は、地上では自分の重さで下へ、飛んでいるときは揚力で上へ、どちらも翼の全体に広がった荷重を受けます。

片持ちばりに、荷重が全体に広がってかかる例。雪の積もった屋根、バルコニー、本棚の棚板、飛行機の翼
図 11-01張り出した部分の全体に、荷重がかかります。

雪の積もった庇の先端が下がりすぎると、先に付けた雨どいが傾いたり、外壁との継ぎ目にすき間ができたりします。重さが広がってかかる棒が、どれだけ下がるかは、設計の最初に確かめる数字です。

この単元では、庇の骨組みの1本で考えます。壁から鋼の角棒(幅 30 mm、高さ 60 mm)が 1,000 mm 突き出しています。その上に、雪が全体に均等に積もり、重さは合わせて 3,000 N です。

先端は、何 mm 下がるでしょうか。雪が先端の1点に集まっていた場合と比べると、どうでしょうか。

予想してから読む同じ 3,000 N の雪を、先端の1点ではなく全体に均等に載せると、先端のたわみは何倍になる?

前の単元 片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重) では、荷重が先端の1点にかかっていました。今回は、全体に広がってかかる荷重(等分布荷重)です。長さ 1 mm あたりの荷重 w\sw(N/mm)で表します。

公式はこれ

δ=w L48 E I\sdelta = \dfrac{\sw\,\sL^4}{8\,\sE\,\sI}
記号 意味 庇の骨組みでは
w\sw 長さ 1 mm あたりの荷重 3,000 N を 1,000 mm に均等に → 3 N/mm
L\sL 壁から先端までの長さ 1,000 mm
E\sE 材料の硬さ(縦弾性係数) 鋼 206 GPa
I\sI 断面の形の曲がりにくさ b h3/12\sb\,\sh^3/12 = 540,000 mm⁴

全部の重さ(総荷重)は W=w L\sW = \sw\,\sL です。壁は、この総荷重の全部を受け止めます。

公式を、3つのかたまりに分けて読む

δ=w L⏟総荷重×1E I⏟曲がりやすさ×L38⏟長さで広がる\sdelta = \underbrace{\sw\,\sL}_{\text{総荷重}} \times \underbrace{\dfrac{1}{\sE\,\sI}}_{\text{曲がりやすさ}} \times \underbrace{\dfrac{\sL^3}{8}}_{\text{長さで広がる}}
  1. 総荷重 w L\sw\,\sL 棒に載っている重さの合計です。雪が多いほど、大きくなります。
  2. 曲がりやすさ 1/E I1/\sE\,\sI 前の単元と同じです。材料の硬さ E\sE と、断面の形 I\sI が大きいほど、曲がりません。
  3. 長さで広がる L3/8\sL^3/8 先端に1点の荷重なら L3/3\sL^3/3 でした。それが 1/81/8 に減ります。理由は、次の節で見ます。

L\sL の次数は、総荷重の中に1回、3つ目のかたまりに3回で、合わせて4回です。だから L4\sL^4 になります。

「8」の出どころ 曲がりを、先端から見る

前の単元では、先端のたわみを、シーソーの形の足し算で出しました。

δ=(曲がり具合のグラフの面積)×(その図心から先端までの距離)\sdelta = \bigl(\text{曲がり具合のグラフの面積}\bigr) \times \bigl(\text{その図心から先端までの距離}\bigr)

同じ手順を、広げた荷重に当てはめます。

1. 根元の曲げモーメント。根元で切って、先の部分をシーソーと見ます。広げた荷重は、その真ん中に1点でかかると見てよいのでした(図心の単元の、板の重さ)。総荷重 W\sW が、壁から L/2\sL/2 のところにかかります。

Mmax⁡=W×L2=w L22\sMmax = \sW \times \dfrac{\sL}{2} = \dfrac{\sw\,\sL^2}{2}

先端の1点なら W×L\sW \times \sL でした。距離が半分なので、根元の曲げモーメントも半分です。

2. 曲がり具合のグラフの形。途中の位置で切っても、同じです。先端から距離 uu のところでは、荷重 wu\sw u が、u/2u/2 のところにかかります。曲げモーメントは wu2/2\sw u^2/2 で、距離の2乗で増えます。

だから、曲がり具合のグラフは、三角形ではなく、内側にへこんだ曲線になります。先端の近くでは、ほとんど曲がっていません。

壁から突き出した2本の棒。左は先端に重りがひとつ、右は同じ重さを10個に分けて、全体に均等に下げている。それぞれの下に、曲げる力の大きさを表す色つきの図形。左は根元から先端へまっすぐ細くなる三角形、右は根元で左の半分の高さから始まり、下にへこんだ曲線で先端へ細くなる図形
図 11-04曲げる力は、どちらも根元でいちばん大きく、先端で 0 です。根元の高さは右が左の半分です。

3. 面積と図心。このへこんだ曲線の下の面積は、同じ底辺・高さの長方形の 1/3 です(三角形なら 1/2 でした)。図心は、根元から L/4\sL/4、先端からは 3L/43\sL/4 のところです。どちらも、下の「式の導き方」で、帯を足して確かめます。

4. 掛ける。総荷重 W\sW をそろえて、2つの荷重のかけ方を並べます。

先端に1点 全体に均等
根元の曲がり具合 WL/EI\sW\sL/\sE\sI(1) WL/2EI\sW\sL/2\sE\sI(1/2)
グラフの面積の割合 三角形 1/2 へこんだ曲線 1/3
図心から先端まで 2L/32\sL/3 3L/43\sL/4
掛けた係数 1 × 1/2 × 2/3 = 1/3 1/2 × 1/3 × 3/4 = 1/8
δ=13×L×w L22 E I⏟面積×3 L4⏟図心から先端まで=w L48 E I\sdelta = \underbrace{\dfrac{1}{3} \times \sL \times \dfrac{\sw\,\sL^2}{2\,\sE\,\sI}}_{\text{面積}} \times \underbrace{\dfrac{3\,\sL}{4}}_{\text{図心から先端まで}} = \dfrac{\sw\,\sL^4}{8\,\sE\,\sI}

8 は、「根元の曲げモーメントが半分」と「曲がりが根元に寄って、面積が小さい」から出てくる数です。1/8 を 1/3 でわると、3/8。これが、先端の1点に集めたときとの比です。

先端の1点にかけたときと比べる

庇の骨組み(幅 30 mm、高さ 60 mm の鋼、長さ 1,000 mm、総荷重 3,000 N)で、数を入れます。まず、広げた雪です。

δ=w L48 E I=3×100048×206,000×540,000=3.37 mm\sdelta = \dfrac{\sw\,\sL^4}{8\,\sE\,\sI} = \dfrac{3 \times 1000^4}{8 \times 206{,}000 \times 540{,}000} = 3.37\ \mathrm{mm}

同じ 3,000 N が先端の1点にかかると、前の単元の式で 8.99 mm です。

荷重のかけ方 先端のたわみ 根元の最大曲げ応力
先端に1点 8.99 mm 167 MPa
全体に均等 3.37 mm 83.3 MPa

たわみは 3/8 倍、応力は半分です。逆に言うと、同じ荷重を先端の1点に集めると、たわみは 8/3 ≒ 2.67 倍、根元の応力は2倍になります。

壁から突き出した同じ棒に、同じ重さの洗濯物を、左は棒の全体に均等に掛け、右は先端の1か所にまとめて掛けた。右のほうが、先端が大きく下がる
図 11-03同じ重さでも、先端に集めると、たわみは約2.7倍になります。

応力が半分なのは、根元の曲げモーメントが半分だからです。

荷重のかけ方 根元の曲げモーメント 長さの真ん中での曲げモーメント
先端に1点(P L\sP\,\sL) 3,000 N·m 1,500 N·m(根元の 1/2)
全体に均等(w L2/2\sw\,\sL^2/2) 1,500 N·m 375 N·m(根元の 1/4)

全体に広げた場合は、根元のそばだけが大きく、先に行くほどすぐ小さくなります。真ん中では、根元の 1/4 しかありません。

自分の重さで曲がる

張り出した部分自身の重さも、全体に均等にかかる荷重です。長さが2倍になると、荷重の総量も2倍、L3\sL^3 の部分が8倍で、たわみは 2 × 2³ = 16倍(長さの4乗)です。

壁から突き出した同じ断面の鋼の棒。上は2メートル、下は4メートル。何も載せていないのに、下の棒は先端が大きく下がっている
図 11-05荷重を載せなくても、長い棒は自分の重さで下がります。長さが2倍で、たわみは16倍です。

鋼の角棒(30 × 60 mm)が、壁から 2 m 突き出すと、自重だけで先端が約 2.5 mm、4 m 突き出すと約 40 mm 下がります。

どの数字がいちばん効く?

高さ・幅・材料の硬さ・荷重の効き方は、片持ちばりのたわみ(先端に集中荷重) の表と同じです(高さ10%で −25%、ほかは ±9〜10%)。この単元で新しいのは、長さの行です。

変えるもの たわみの変化
長さ L\sL を10%長く(w\sw は同じ) +46%(L4\sL^4 なので 1.1⁴ ≒ 1.46)
長さ L\sL を10%長く(総荷重 W\sW は同じ) +33%(L3\sL^3 なので 1.1³ ≒ 1.33)

長さは、w\sw を同じにするか、総荷重を同じにするかで、効き方が変わります。w\sw が同じなら、長くしたぶん荷重も増えるので、4乗です。総荷重が同じなら、3乗です。

庇に戻る

最初の問いに戻ります。長さ 1,000 mm の鋼の角棒に、3,000 N の雪が均等に積もると、先端は 3.37 mm 下がります。

同じ雪が、吹きだまりで先端に寄っていたら、8.99 mm です。根元の曲げ応力も、83.3 MPa から 167 MPa に倍増します。庇の計算で、雪が均等に積もるとしてよいか、片寄るとして見るかは、大きな違いになります。

ちなみに、同じ棒を両端で支えて使うと、広げた荷重でのたわみは 0.351 mm で、片持ちの約 1/9.6 になります(式は 単純支持ばりのたわみ(等分布荷重) の単元で出します)。

つまり、ものを作るときは

張り出しは、できるだけ短くします。長さの4乗で効くので、1割短くするだけで、たわみは約3割減ります。

重いものは、先端でなく、壁のそばに置きます。バルコニーの重い植木鉢は、手すり側でなく、壁際です。壁から長さの 1/4 の位置に置いた荷重は、先端に置いたときの 11/128(約 1/12)しか、先端を下げません。

根元がいちばん強く曲がるので、根元ほど太く、高くします。

同じ植木鉢を、バルコニーの壁際に置いた場合と、先端に置いた場合。壁際はたわみが小さく、先端は大きい
図 11-02同じ重さでも、先端に置くほど、大きく下がります。

11/128 は、前の単元の道具で出せます。荷重の位置までを、長さ L/4\sL/4 の片持ちばりと見ます。その先は曲がっていないので、まっすぐのまま、荷重の位置の傾きで先端まで伸びます。くわしい計算は、下の「式の導き方」にあります。

動かしてみよう

盤の上の「荷重のかけ方」で、同じ合計を先端の1点にを選ぶと、3,000 N を先端に集めたときのたわみになります。3.37 mm が何 mm になるか、先に予想してから押してください。

次に「全体に均等」に戻して、総荷重(w\sw × L\sL)が同じまま、長さだけを2倍にしてみてください。w\sw を半分にして長さを2倍にすると、たわみは何倍になるでしょうか。

「1点の位置を動かす」を選ぶと、同じ合計を、壁から位置 aa の1点に置けます。先端から壁のほうへ動かして、たわみと根元の応力の減り方を見てください。

シミュレータスライダーを動かすと、図と答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 荷重のかけ方を「同じ合計を先端の1点に」にする(3,000 N を先端に集める)(まだ)
  2. 「全体に均等」に戻して、長さ L を2倍の 2,000 mm にする(w は 3 N/mm のまま)(まだ)
  3. 「1点の位置を動かす」にして、位置 a を壁から 250 mm(長さの 1/4)にする(まだ)
荷荷重のかけ方
mm
N/mm
mm
GPa
mm
mm
wδL単元片持ち・等分布尺度たわみ ×9材料E = 206 GPabh断面
先端のたわみは、初期値の ×1
たわみの描き方いまの倍率 ×9

たわみは実際には小さいので、見やすいように拡大して描いています。倍率は、初期値のときの ×9 のまま変えないので、数字を変えると、たわみの大きさが、そのまま図に出ます。

いまの式(数字を入れた形)

δ=w L48 E I\htmlClass{q-displacement}{\delta} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^4}{8\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}}=3×1,00048×206,000×540,000= \dfrac{3 \times 1{,}000^4}{8 \times 206{,}000 \times 540{,}000}=3.371 mm= 3.371\ \mathrm{mm}
先端のたわみ
δ=3.371 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta} = 3.371\ \mathrm{mm}
最大曲げ応力
σmax⁡=83.33 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_{\max}} = 83.33\ \mathrm{MPa}
総荷重
W=3,000 N\htmlClass{q-force}{W} = 3{,}000\ \mathrm{N}
最大曲げモーメント
Mmax⁡=1,500,000 N⋅mm\htmlClass{q-moment}{M_{\max}} = 1{,}500{,}000\ \mathrm{N\cdot mm}
先端のたわみ角
θ=0.004495 rad\htmlClass{q-displacement}{\theta} = 0.004495\ \mathrm{rad}
ほかの値(3 個)
断面二次モーメント
I=540,000 mm4\htmlClass{q-material}{I} = 540{,}000\ \mathrm{mm^4}
支点の反力
R=3,000 N\htmlClass{q-force}{R} = 3{,}000\ \mathrm{N}
断面係数
Z=18,000 mm3\htmlClass{q-material}{Z} = 18{,}000\ \mathrm{mm^3}
途中の計算(導出)を見る
  1. 断面二次モーメント(長方形断面)

    I=b h312=30×60312=540,000 mm4\htmlClass{q-material}{I} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^3}{12} = \dfrac{30 \times 60^3}{12} = 540{,}000\ \mathrm{mm^4}
  2. 総荷重(単位長さあたりの荷重 × 長さ)

    W=w L=3×1,000=3,000 N\htmlClass{q-force}{W} = \htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L} = 3 \times 1{,}000 = 3{,}000\ \mathrm{N}
  3. 固定端の反力(壁が、総荷重を全部受け止める)

    R=w L=3×1,000=3,000 N\htmlClass{q-force}{R} = \htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L} = 3 \times 1{,}000 = 3{,}000\ \mathrm{N}
  4. 最大曲げモーメント(固定端)

    Mmax⁡=w L22=3×1,00022=1,500,000 N⋅mm\htmlClass{q-moment}{M_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^2}{2} = \dfrac{3 \times 1{,}000^2}{2} = 1{,}500{,}000\ \mathrm{N\cdot mm}
  5. 先端のたわみ

    δ=w L48 E I=3×1,00048×206,000×540,000=3.371 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^4}{8\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{3 \times 1{,}000^4}{8 \times 206{,}000 \times 540{,}000} = 3.371\ \mathrm{mm}
  6. 先端のたわみ角

    θ=w L36 E I=3×1,00036×206,000×540,000=0.004495 rad\htmlClass{q-displacement}{\theta} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^3}{6\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{3 \times 1{,}000^3}{6 \times 206{,}000 \times 540{,}000} = 0.004495\ \mathrm{rad}
  7. 最大曲げ応力(固定端の上下の面)

    σmax⁡=Mmax⁡Z,Z=b h26=1,500,00018,000=83.33 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{M_{\max}}}{\htmlClass{q-material}{Z}},\quad \htmlClass{q-material}{Z} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^2}{6} = \dfrac{1{,}500{,}000}{18{,}000} = 83.33\ \mathrm{MPa}

よくある勘違い

「広げてかけると、たわみは半分になる」

半分になるのは、根元の曲げモーメント(と、曲げ応力)です。たわみは、半分よりさらに小さい 3/8 倍になります。曲がりが根元に寄るぶん、もう一段減ります。

「総荷重が同じなら、広げても集めても同じ」

同じ重さでも、たわみで 2.67 倍、応力で 2 倍違います。重さが「どこにあるか」が効きます。

「壁は、荷重の半分だけ支えている」

壁は、総荷重 w L\sw\,\sL の全部を支えます。そのうえ、根元を曲げようとする曲げモーメント(w L2/2\sw\,\sL^2/2)も、壁が受け止めています。両端を支える単純支持ばりなら、支える力は半分ずつです。片持ちでは、全部が壁にかかります。

この公式が使える条件

  • 荷重が、壁から先端まで、全長に均等にかかる
  • たわみが、はりの長さに比べて十分小さい(長さの1割くらいまで)
  • 荷重を外すと元に戻る範囲(弾性の範囲)
  • はりの太さは、根元から先端まで同じ(自重を荷重に含めるときは、その自重も均等にかかる)
  • 壁は、はりを完全に固定していて、根元で傾かない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

面積 1/3 と図心 3/4 を、帯で確かめる:先端からの距離を、長さ L\sL を 1 とした割合 uu で表すと、曲がり具合のグラフの高さは u2u^2 に比例します(根元で 1)。

グラフを縦に4本の帯に切り、帯の真ん中(uu = 1/8、3/8、5/8、7/8)の高さで面積を足します。

14×1+9+25+4964=84256≈0.328\dfrac{1}{4}\times\dfrac{1 + 9 + 25 + 49}{64} = \dfrac{84}{256} \approx 0.328

1/3(0.333)に近い値です。帯を細かくするほど、1/3 に近づきます。断面二次モーメントの 1/12 が、帯を細かく足した行き着く先だったのと同じです。

「面積 × 先端からの距離」も同じように足すと、14×1+27+125+343512≈0.242\tfrac{1}{4}\times\tfrac{1 + 27 + 125 + 343}{512} \approx 0.242 で、行き着く先は 1/4 です。図心の位置は、図心の単元の割り算で、(1/4)÷(1/3)=3/4(1/4) \div (1/3) = 3/4。先端から 3L/43\sL/4 です。

積分で出す:出発点の式 E I d2v/dx2=−M\sE\,\sI\,d^2\sv/d\sx^2 = -\sM は、たわみの微分方程式と積分法 で出しました。壁からの位置を x\sx とします。位置 x\sx より先にある荷重は w (L−x)\sw\,(\sL - \sx) で、その真ん中は (L−x)/2(\sL - \sx)/2 だけ先にあるので、位置 x\sx の曲げモーメントの大きさは

w (L−x)22\dfrac{\sw\,(\sL - \sx)^2}{2}

です(棒は上に凸に曲がるので、符号はマイナス)。下向きのたわみを v\sv とすると、

E I d2vdx2=w (L−x)22\sE\,\sI\,\dfrac{d^2\sv}{d\sx^2} = \dfrac{\sw\,(\sL - \sx)^2}{2}

1回積分すると、

E I dvdx=w2(L2 x−L x2+x33)+C1\sE\,\sI\,\dfrac{d\sv}{d\sx} = \dfrac{\sw}{2}\left(\sL^2\,\sx - \sL\,\sx^2 + \dfrac{\sx^3}{3}\right) + C_1

壁(x=0\sx = 0)では傾きが 0 なので C1=0C_1 = 0。もう1回積分して、壁で v=0\sv = 0 とすると、

v(x)=w x2 (6L2−4L x+x2)24 E I\sv(\sx) = \dfrac{\sw\,\sx^2\,(6\sL^2 - 4\sL\,\sx + \sx^2)}{24\,\sE\,\sI}

先端 x=L\sx = \sL を入れると、

δ=w L2⋅3L224 E I=w L48 E I\sdelta = \dfrac{\sw\,\sL^2\cdot 3\sL^2}{24\,\sE\,\sI} = \dfrac{\sw\,\sL^4}{8\,\sE\,\sI}

です。先端の傾きは、dv/dxd\sv/d\sx に x=L\sx = \sL を入れて、θ=w L3/(6 E I)\stheta = \sw\,\sL^3/(6\,\sE\,\sI) です。これは、曲がり具合のグラフの面積 13×L×wL2/(2EI)\tfrac13 \times \sL \times \sw\sL^2/(2\sE\sI) と同じです。

植木鉢の 11/128:壁から aa の位置に荷重 P\sP を置きます。その位置までは、長さ aa の片持ちばりで、下がりは Pa3/(3EI)\sP a^3/(3\sE\sI)、傾きは Pa2/(2EI)\sP a^2/(2\sE\sI) です(前の単元)。その先は曲がらないので、先端はさらに「傾き × 残りの長さ (L−a)(\sL - a)」だけ下がります。a=L/4a = \sL/4 なら、

PEI(a33+a22⋅3a)=PEI⋅11 a36=11128⋅P L33 E I\dfrac{\sP}{\sE\sI}\left(\dfrac{a^3}{3} + \dfrac{a^2}{2}\cdot 3a\right) = \dfrac{\sP}{\sE\sI}\cdot\dfrac{11\,a^3}{6} = \dfrac{11}{128}\cdot\dfrac{\sP\,\sL^3}{3\,\sE\,\sI}

先端に置いたときの 11/128 です。

例題

例題1 駐輪場の屋根を支える腕

駐輪場の屋根を、壁から水平に突き出した鋼の腕(幅 40 mm、高さ 80 mm)が支えています。腕は壁から 1,500 mm 突き出し、屋根と雪の重さが、腕の全長に均等にかかっています。長さ 1 mm あたり 1.5 N(総荷重 2,250 N)とします。鋼の縦弾性係数は 206 GPa、腕の重さは考えません。

(1) 腕の先端は、どれだけ下がりますか。(2) 壁に近い根元で、腕の上の面に生じる曲げ応力はいくらですか。

ヒント 1 / 2

たわみは δ=w L4/(8 E I)\sdelta = \sw\,\sL^4/(8\,\sE\,\sI) で求めます。根元の曲げモーメントは、総荷重が腕の真ん中にかかると見て w L2/2\sw\,\sL^2/2。これを断面係数 Z=b h2/6\sZ = \sb\,\sh^2/6 でわると応力です。

ヒント 2 / 2

まず I=40×803/12\sI = 40 \times 80^3/12 を出します。w\sw は 1.5 N/mm、E\sE は 206,000 N/mm² で入れます。

答えと解き方を見る
(1) δ=2.7 mm(1)\ \sdelta = 2.7\ \mathrm{mm}
(2) σmax⁡=39.6 MPa(2)\ \ssigma = 39.6\ \mathrm{MPa}
  1. 断面二次モーメント(長方形断面)

    I=b h312=40×80312=1,706,670 mm4\htmlClass{q-material}{I} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^3}{12} = \dfrac{40 \times 80^3}{12} = 1{,}706{,}670\ \mathrm{mm^4}
  2. 総荷重(単位長さあたりの荷重 × 長さ)

    W=w L=1.5×1,500=2,250 N\htmlClass{q-force}{W} = \htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L} = 1.5 \times 1{,}500 = 2{,}250\ \mathrm{N}
  3. 固定端の反力(壁が、総荷重を全部受け止める)

    R=w L=1.5×1,500=2,250 N\htmlClass{q-force}{R} = \htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L} = 1.5 \times 1{,}500 = 2{,}250\ \mathrm{N}
  4. 最大曲げモーメント(固定端)

    Mmax⁡=w L22=1.5×1,50022=1,688,000 N⋅mm\htmlClass{q-moment}{M_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^2}{2} = \dfrac{1.5 \times 1{,}500^2}{2} = 1{,}688{,}000\ \mathrm{N\cdot mm}
  5. 先端のたわみ

    δ=w L48 E I=1.5×1,50048×206,000×1,706,670=2.7 mm\htmlClass{q-displacement}{\delta} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^4}{8\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{1.5 \times 1{,}500^4}{8 \times 206{,}000 \times 1{,}706{,}670} = 2.7\ \mathrm{mm}
  6. 先端のたわみ角

    θ=w L36 E I=1.5×1,50036×206,000×1,706,670=0.0024 rad\htmlClass{q-displacement}{\theta} = \dfrac{\htmlClass{q-force}{w}\,\htmlClass{q-geometry}{L}^3}{6\,\htmlClass{q-material}{E}\,\htmlClass{q-material}{I}} = \dfrac{1.5 \times 1{,}500^3}{6 \times 206{,}000 \times 1{,}706{,}670} = 0.0024\ \mathrm{rad}
  7. 最大曲げ応力(固定端の上下の面)

    σmax⁡=Mmax⁡Z,Z=b h26=1,688,00042,670=39.55 MPa\htmlClass{q-stress}{\sigma_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{M_{\max}}}{\htmlClass{q-material}{Z}},\quad \htmlClass{q-material}{Z} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{b}\,\htmlClass{q-geometry}{h}^2}{6} = \dfrac{1{,}688{,}000}{42{,}670} = 39.55\ \mathrm{MPa}

腕の上の面は引っ張られ、下の面は押し縮められます。大きさはどちらも同じです。

最大の曲げモーメントは、いちばん根元(固定端)にかかります。壁に近いところほど、腕を曲げようとする力が大きくなります。

例題2 同じ重さを、先端にまとめたら

例題1の腕の先端に、屋根と雪の重さ 2,250 N が、全部まとめてぶら下がったとします。

先端のたわみと、根元の曲げ応力は、例題1の何倍ですか。

ヒント 1 / 2

先端の1点の荷重は、前の単元の式 δ=P L3/(3 E I)\sdelta = \sP\,\sL^3/(3\,\sE\,\sI) で求めます。P\sP は総荷重の 2,250 N です。

ヒント 2 / 2

根元の曲げモーメントは、先端の1点なら P L\sP\,\sL、全体に均等なら w L2/2\sw\,\sL^2/2 です。応力の比は、この比と同じです。

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たわみ 7.2 mm ⇒ 2.67 倍\text{たわみ}\ 7.2\ \mathrm{mm}\ \Rightarrow\ 2.67\ \text{倍}
応力 79.1 MPa ⇒ 2 倍\text{応力}\ 79.1\ \mathrm{MPa}\ \Rightarrow\ 2\ \text{倍}

同じ重さでも、先端にまとめるか、全長に広げるかで、たわみは 8/3 ≒ 2.67 倍、根元の応力は2倍も違います。

先端の荷重ほど、根元から遠いところにかかるので、腕を大きく曲げます。

例題3 自分の重さで曲がる棒

幅 30 mm、高さ 60 mm の鋼の角棒を、壁から水平に突き出します。荷重は、棒自身の重さだけです。鋼の密度は 7,850 kg/m³、縦弾性係数は 206 GPa、重力加速度は 9.8 m/s² とします。

(1) 壁から 2 m 突き出したとき、先端は自重でどれだけ下がりますか。(2) 4 m 突き出すと、どれだけ下がりますか。(3) (2) は (1) の何倍ですか。

ヒント 1 / 2

自重は、全長に均等にかかる荷重です。1 mm あたりの重さ w\sw を出して、w L4/(8 E I)\sw\,\sL^4/(8\,\sE\,\sI) に入れます。

ヒント 2 / 2

w\sw は、密度 × 重力加速度 × 断面積です。断面積は 30×60=1,80030 \times 60 = 1{,}800 mm² = 0.0018 m² です。

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(1) 2.49 mm(1)\ 2.49\ \mathrm{mm}
(2) 39.8 mm(2)\ 39.8\ \mathrm{mm}
(3) 16 倍(3)\ 16\ \text{倍}

単位長さあたりの重さは、密度 × 重力加速度 × 断面積 = 7,850 × 9.8 × 0.0018 ≒ 138 N/m です。

長さが2倍になると、荷重の総量が2倍になるだけでなく、腕の長さも2倍になるので、たわみは 2 × 2³ = 16倍(長さの4乗に比例)です。