この単元のポイント
- 支点が支える力は、シーソーの決まりで出る。荷重に近い支点ほど、たくさん受け持つ(RA=Pc/L)。
- 同じ荷重でも、端に寄せるほど、たわみは小さい。端から 1 割の位置なら、真ん中に置いたときの約 0.3 倍。
- いちばん下がる場所は、荷重がどこにあっても、真ん中から 0.077 L 以内。真ん中で測れば、最大たわみの 97% 以上が分かる。
前の単元との違い前の単元までは、荷重が真ん中か全体でした。この単元では、1点の荷重を好きな位置に動かします。
同じ辞書でも、置く場所で下がり方が変わる
両端を棚受けで支えた、長さ 1 m の棚板があります。そこに、重い辞書を1冊置きます。
棚板の真ん中に置くのと、棚受けから 10 cm のところに置くのとで、板の下がり方は違うでしょうか。
予想してから読む辞書を棚受けから 10 cm に寄せると、棚板のいちばん下がる量は、真ん中に置いたときの何倍?
違います。同じ辞書でも、端に寄せるだけで、下がりは約 3 分の 1 になります。
図 14-03同じ箱でも、真ん中に置くと大きくたわみ、端に寄せると小さくなります。
荷重が真ん中に来るとは限りません。橋の上のトラックも、桁の途中に据えた機械も、真ん中からずれています。
単純支持ばりのたわみ(中央に集中荷重) では、荷重が真ん中でした。この単元では、荷重を好きな位置に置きます。
左の支点から荷重までの距離を a、荷重から右の支点までの距離を c とします。2つを足すと、長さ L です(c=L−a)。
支点が支える力は、シーソーの決まりで出る
棒の途中に荷物をぶら下げて、2人で担いだことがあるでしょうか。荷物に近い人が、重く感じます。
図 14-01荷物に近い人ほど、重く感じます。
なぜそうなるかは、せん断力図と曲げモーメント図 で使った、シーソーの2つの決まりで分かります。
- 決まり1:上向きの力 = 下向きの力
- 決まり2:力 × 距離が、逆向きどうしで同じ
棚板に、重さ 40 N(約 4 kg)の辞書を、左の棚受けから 0.25 m のところに置いたとします。右の棚受けまでは 0.75 m です。
まず、決まり2を使います。右の棚受けを、シーソーの支点と見ます。
左の棚受けが押し上げる力 RA は、支点から 1 m 離れています。辞書の重さ 40 N は、支点から 0.75 m です。この2つは、棚板を逆の向きに回そうとして、釣り合っています。
RA×1=40×0.75
右辺は 30 です。だから、RA = 30 N です。
次に、決まり1です。上向きの力の合計は、辞書の重さと同じ 40 N です。右の棚受けは、残りの 40 − 30 = 10 N を受け持ちます。
辞書に近い左の棚受けが、3 倍の力を受け持っています。担いだときに、荷物に近い人が重く感じるのと同じです。
文字で書く
同じことを、文字で書きます。右の支点まわりの決まり2は、こうなります。
RA×L=P×c
両辺を L で割ります。
RA=LPc
決まり1から、右の支点の力は RB=P−RA です。c=L−a を入れると、P と −P が消えます。
RB=P−LP(L−a)=LPa
RA には、荷重から遠い側の距離 c が入ります。荷重が左に寄るほど c が長くなり、左の支点の受け持ちが増えます。
曲げモーメントは、荷重の位置で最大
はりを荷重の位置で切って、左側だけを見ます。左側にある力は、左の支点の力 RA だけです。
決まり2から、切り口の曲げモーメントは「力 × 切り口までの距離」です。
Mmax=RA×a=LPc×a=LPac
辞書の例では、30 N × 250 mm = 7,500 N·mm です。
真ん中に置いたときは、PL/4 = 40 × 1,000 / 4 = 10,000 N·mm でした。比べると、0.75 倍です。
この比を、文字でも出します。Pac/L を PL/4 で割ると、P が消えます。
PL/4Pac/L=L24ac
この 4ac/L2 を、位置で決まる倍率と呼ぶことにします。真ん中(a=c=L/2)で 1、端に寄るほど 0 に近づきます。辞書の例なら 4 × 0.25 × 0.75 = 0.75 です。
たわみの式を、2つのかたまりで読む
荷重の真下のたわみ δa は、次の式です(導き方は、いちばん下に畳んであります)。
δa=3EILPa2c2
この式は、2つのかたまりの掛け算に書き直せます。
δa=真ん中にかけたときのたわみ48EIPL3×位置で決まる倍率の2乗(L24ac)2
- 真ん中にかけたときのたわみ 単純支持ばりのたわみ(中央に集中荷重) の式そのものです。荷重・長さ・材料の硬さ・断面の形は、全部ここに入っています。
- 位置で決まる倍率の2乗 曲げモーメントの倍率が、2回かかります。だから、端に寄せると、たわみは曲げモーメントより急に小さくなります。
書き直しが合っているかは、右辺を広げると確かめられます。倍率の2乗は 16a2c2/L4 です。これに PL3/(48EI) を掛けると、16/48=1/3、L3/L4=1/L で、左辺に戻ります。
数で確かめます。辞書を、棚受けから 10 cm(a/L=0.1)に置いたときの、辞書の真下のたわみです。
真ん中にかけたときのたわみδa=(L24ac)2=(4×0.1×0.9)2=0.362=0.1296
曲げモーメントは 0.36 倍、辞書の真下のたわみは、その2乗の 0.1296 倍です。
公式はこれ
| 量 |
式 |
| 支点が支える力 |
RA=Pc/L,RB=Pa/L |
| 最大曲げモーメント(荷重の位置) |
Mmax=Pac/L |
| 荷重の位置のたわみ |
δa=Pa2c2/(3EIL) |
| 真ん中のたわみ |
δ中央=Ps(3L2−4s2)/(48EI) |
| 最大たわみ |
δmax=Ps(L2−s2)3/2/(93EIL) |
s は、荷重に近い支点までの距離です(a と c の短い側)。
荷重が真ん中(a=c=L/2)なら、どの式も 単純支持ばりのたわみ(中央に集中荷重) の式(PL3/(48EI) など)に戻ります。
最大たわみの式は複雑です。でも、あとで見るとおり、実際には真ん中のたわみで足ります。
荷重を端に寄せると
荷重の位置を、真ん中から端へ寄せていきます。下の図は、真ん中に置いたときを 1 として、3つの量の比を描いたものです。
真ん中の近くでは、どの線も平らです。少しずらしても、ほとんど下がりません。
端の近くでは、どの線も急に下がります。荷重の位置のたわみ(青の破線)は、倍率が2乗で効くので、いちばん急です。
数で並べると、次のとおりです。
| 荷重の位置 a/L |
近い支点の力 |
最大曲げモーメント |
荷重の位置のたわみ |
最大たわみ |
| 0.5(真ん中) |
0.5 P |
1 |
1 |
1 |
| 0.4 |
0.6 P |
0.96 |
0.9216 |
0.948 |
| 0.3 |
0.7 P |
0.84 |
0.7056 |
0.802 |
| 0.25(1/4) |
0.75 P |
0.75 |
0.5625 |
0.699 |
| 0.2 |
0.8 P |
0.64 |
0.4096 |
0.579 |
| 0.125(1/8) |
0.875 P |
0.4375 |
0.1914 |
0.376 |
| 0.1 |
0.9 P |
0.36 |
0.1296 |
0.303 |
| 0.05(端のすぐ近く) |
0.95 P |
0.19 |
0.0361 |
0.153 |
図 14-02荷重を端に寄せると、近い支点の力は増え、たわみは減ります。
読み取れることは3つです。
- 真ん中の近くは、あまり変わらない。0.5 から 0.4 へずらしても、最大たわみは 0.948 倍です。5% しか減りません。
- 端の近くは、急に変わる。0.2 から 0.1 へ寄せると、最大たわみは 0.579 から 0.303 へ、ほぼ半分になります。
- 端に置くと、近い支点がほぼ全部を受け持つ。0.1 の位置なら、近い支点の力は 0.9 P です。
いちばん下がる場所は、真ん中の近く
いちばん下がる場所は、荷重の真下ではありません。荷重を端に寄せても、真ん中の近くにとどまります。
図 14-05荷重の真下より、真ん中に近い場所が、いちばん下がります。
| 荷重の位置 a/L |
いちばん下がる位置(左の支点から、L に対する割合) |
真ん中のたわみ ÷ 最大たわみ |
| 1/2 |
0.500 |
1 |
| 1/4 |
0.441 |
0.984 |
| 1/8 |
0.427 |
0.977 |
荷重がどれほど端に寄っても、いちばん下がる位置は、真ん中から L/3−L/2≈0.077L 以内です。
そして、真ん中のたわみは、最大たわみの 97% 以上あります。
たわみを確かめるときは、いちばん下がる場所を探さなくても、真ん中で測れば足ります。
棚板の辞書に戻ると
最初の問いに答えます。長さ 1 m の棚板で、辞書を棚受けから 10 cm(a/L=0.1)に置いたときです。
- 棚板のいちばん下がる量は、真ん中に置いたときの 0.303 倍、約 0.3 倍です。
- 逆に言うと、真ん中に置くと、約 3.3 倍下がります。棚受けから 5 cm(0.05)なら、約 6.5 倍の差です。
- そのかわり、近い棚受けは、辞書の重さの 9 割(0.9 P)を受け持ちます。
つまり、ものを作るときは
重いものは、支点の近くに置くほど、たわみも曲げも小さくなります。長さの 1/4 の位置なら、真ん中に置いたときに比べて、最大たわみは約 0.7 倍、曲げモーメントは 0.75 倍です。
棚なら、重い物は、棚受けや支柱の近くに置きます。本を並べるときも、重い大型本を端に、軽い本を真ん中に置くと、板が下がりにくくなります。
ただし、近い支点にかかる力は増えます。1/4 の位置なら、近い支点は荷重の 3/4 を受け持ちます。柱や橋台は、その力に耐える強さが要ります。
動かしてみよう
溝にかけた渡り板を、荷物を載せた台車が渡るところを考えます。台車が進むにつれて、板の下がり方が変わります。
図 14-04台車が真ん中へ進むほど、板は大きくたわみます。
盤の初期値は、荷重を左の支点から長さの1割(a = 150 mm、L = 1,500 mm)に置いた場面です。荷重の位置 a のスライダーを、左端から右端まで動かしてみてください。台車が板を渡るのと同じです。
- 支点の下の上向きの矢印が、支点の力 RA・RB です。長さは力の大きさに比例します。荷重に近い側の矢印が長くなり、真ん中で同じ長さになります。
- 最大曲げモーメントと最大たわみは、荷重が真ん中に来たときに、いちばん大きくなります。
- 点線と白い丸が、いちばん下がる位置 xm です。荷重を端に寄せても、真ん中の近くから離れないことを確かめてください。
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荷重の位置 a を、長さの 1/4 の 375 mm にして、支点の力 RA・RB を見る(まだ)
- 2a を真ん中の 750 mm にする(まだ)
- 3長さ L を 2,000 mm、a を 500 mm(長さの 1/4)にして、いちばん下がる位置 xm を見る(まだ)
最大たわみは、初期値の ×1
たわみの描き方いまの倍率 ×163
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 ×163 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。
- 最大たわみ
- δmax=0.5752 mm
- 最大たわみの位置(左の支点から)
- xm=638.3 mm
- 左の支点の反力
- RA=2,700 N
- 右の支点の反力
- RB=300 N
- 中央のたわみ
- δ中央=0.5613 mm
- 中央のたわみ ÷ 最大たわみ
- δ中央/δmax=0.976
- 最大曲げモーメント
- Mmax=405,000 N⋅mm
ほかの値(4 個)
- 断面二次モーメント
- I=540,000 mm4
- 荷重の位置のたわみ
- δa=0.2458 mm
- 断面係数
- Z=18,000 mm3
- 最大曲げ応力
- σmax=22.5 MPa
途中の計算(導出)を見る
断面二次モーメント(長方形断面)
I=12bh3=1230×603=540,000 mm4 荷重から右の支点までの距離
c=L−a=1,500−150=1,350 mm 左の支点の反力(遠いほど小さく、近いほど大きい)
RA=LPc=1,5003,000×1,350=2,700 N 右の支点の反力
RB=LPa=1,5003,000×150=300 N 最大曲げモーメント(荷重の位置)
Mmax=LPac=1,5003,000×150×1,350=405,000 N⋅mm 荷重の位置のたわみ
δa=3EILPa2c2=3×206,000×540,000×1,5003,000×1502×1,3502=0.2458 mm 最大たわみ(荷重に近い支点までの距離 s = 150 mmを使う)
δmax=93EILPs(L2−s2)3/2=93×206,000×540,000×1,5003,000×150×(1,5002−1502)3/2=0.5752 mm 最大たわみの位置(左の支点から)
xm=L−3L2−s2=1,500−31,5002−1502=638.3 mm 中央のたわみ
δ中央=48EIPs(3L2−4s2)=48×206,000×540,0003,000×150×(3×1,5002−4×1502)=0.5613 mm 最大曲げ応力(荷重の位置の上下の面)
σmax=ZMmax,Z=6bh2=18,000405,000=22.5 MPa
よくある勘違い
「いちばんたわむのは、荷重の真下」
荷重の真下が、いちばん下がる → 荷重が真ん中のとき以外は、真下ではありません。
荷重が長さの 1/4 の位置(a/L=0.25)にあるとき、いちばん下がるのは、左の支点から 0.441 L の位置です。荷重の真下(0.25 L)より、真ん中に寄っています。
「荷重から遠い支点には、力がかからない」
遠い支点の力は 0 → 遠い支点も、Pa/L を受け持ちます。
決まり2で、近い支点をシーソーの支点と見ます。遠い支点の力 × L が、荷重 × a と釣り合います。a が 0 でない限り、遠い支点の力も 0 ではありません。
「端に置けば、ほとんど何もかからない」
端に寄せると、たわみと曲げモーメントは小さくなります。でも、荷重そのものは消えません。
端から 1 割の位置(a/L=0.1)でも、近い支点は 0.9 P を受け持ちます。たわみは約 0.3 倍に減りますが、棚受けにかかる力は、真ん中に置いたときの 0.5 P より増えています。
この公式が使える条件
- 荷重が、はりの1点にかかる
- 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)
- はりの重さは考えない。はりの太さは、端から端まで同じ
- 支点は、はりを上下に支えるだけ。端は傾いてよく、片方は横にも動ける
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
出発点は、曲がり具合と曲げモーメントの関係 EId2v/dx2=−M です(出どころは 曲げ応力の式 と たわみの微分方程式と積分法)。この式を、2回積分します。
支点が支える力は、本文のとおり、決まり1と決まり2から RA=Pc/L、RB=Pa/L です。
曲げモーメントは、荷重の位置で折れ曲がった線になります。荷重より左で切ると、左側の力は RA だけです。荷重より右で切ったときは、右側を見ると RB だけです。
M=LPcx (0≤x≤a),M=LPa(L−x) (a≤x≤L)下向きのたわみを v とします。左右の区間を、それぞれ2回積分すると、積分定数が4つ出ます。次の4つの条件で決めます。
- 左の支点(x=0)で、たわみが 0
- 右の支点(x=L)で、たわみが 0
- 荷重の位置(x=a)で、左右のたわみが等しい
- 荷重の位置で、左右の傾きも等しい(はりは、荷重の位置で折れない)
結果は、左の区間で次のとおりです。
v(x)=6EILPcx(L2−c2−x2)(0≤x≤a)右の区間は、左右を入れ替えた同じ形です。
x=a を入れます。L2−c2−a2 は、L=a+c を広げると 2ac です。
δa=6EILPca⋅2ac=3EILPa2c2いちばん下がる位置は、傾きが 0 になる位置です。a≥c(荷重が右寄り)のとき、そこは左の長い区間にあります。傾きが 0 になる条件 L2−c2−3x2=0 から、
xm=3L2−c2です。これを v(x) に入れると、最大たわみの式が出ます。荷重が左寄りのときは、左右を入れ替えます。
c を 0 から L/2 まで動かすと、xm は L/3≈0.577L から L/2 まで動きます。だから、いちばん下がる位置は、真ん中から 0.077 L 以内です。
位置で決まる倍率は、真ん中からのずれ e=∣1−2a/L∣(真ん中で 0、端で 1)を使うと 1−e2 と書けます。a=(1−e)L/2、c=(1+e)L/2 を入れると、4ac/L2=(1−e)(1+e)=1−e2 です。e が小さいうちは e2 がとても小さいので、真ん中の近くでは倍率がほとんど 1 のままです。図の線が、真ん中の近くで平らな理由です。