圧縮応力解説：定義、単位、式、実用例

外力が物体を圧縮または圧搾する方向に加えられると、圧縮応力と呼ばれる種類の応力が発生します。圧縮応力は、材料内の原子を結晶構造と原子間力が許容するよりも互いに近づけようとします。原子はより弱い結晶面や欠陥、ボイドで互いに滑り、座屈と最終的な破断を引き起こします。
圧縮応力は、構造物と材料の強度と耐久性に影響を与えるため、工学と材料科学の重要な原理です。通常、圧縮応力はパスカル（Pa）またはポンド毎平方インチ（psi）で表現されます。圧縮応力は、物体に加えられた力を力に垂直な断面積で割ることで計算できます。

圧縮強度は、材料が圧縮下で破断する前に耐えられる最大応力です。これは材料工学における重要なパラメータであり、材料が特定の用途に適しているかどうかを決定します。本記事では、圧縮応力、その計算方法、発生条件、例について説明します。

圧縮応力とは？

圧縮応力とは、物体が圧搾される機械的力です。この特定の応力の結果、材料の分子は互いに近づき、物体の変形または破壊を引き起こします。材料の圧縮応力に対する応答を理解することは、大小さまざまな構造物と人工物の強度、安全性、長寿命化に影響するため、工学と材料科学の重要な部分です。
17世紀の数学者・物理学者ロバート・フックが最初にフックの法則を提唱しました。この法則は、圧縮力または引張力を受けた材料の応力とひずみの関係を記述します。以来、材料科学と工学の発展により、さまざまな用途で圧縮応力の計算と分析の新しいアプローチと手法が開発されてきました。

圧縮応力 vs. 圧縮強度

圧縮応力とは、圧縮力を受けた材料が単位面積あたりに発生させる内部抵抗で、通常パスカル（Pa）またはポンド毎平方インチ（psi）で表現されます。加えられた荷重と形状に応じて変化する変数量です。
対照的に、圧縮強度は、材料が破壊または永久変形する前に耐えられる最大圧縮応力を定義する固定的な材料特性です。圧縮応力は荷重中に測定されるのに対し、圧縮強度は構造的完全性が失われる閾値を表します。

圧縮応力はいつ発生するか？

圧縮応力は、物体に力が加えられ、それが圧搾されるときに発生します。これは、何らかの物体が2つの物体の間に押し付けられるときや、材料が大きな圧力を受けるときなど、いくつかの状況で起こります。構造物と材料は頻繁に圧縮荷重を受けるため、エンジニアリング構造物内での圧縮応力の発生は一般的な事象です。

圧縮応力のSI単位

圧縮応力のSI単位はパスカル（Pa）で、フランスの物理学者ブレーズ・パスカルにちなんで命名されました。1パスカルは1ニュートン毎平方メートル（N/m²）に等しいです。多くの材料が高荷重を経験するため、工学と材料科学では圧縮応力は頻繁にキロパスカル（kPa）またはメガパスカル（MPa）で測定されます。気圧（atm）とポンド毎平方インチ（psi）も圧縮応力の表現に使用されますが、科学的・工学的用途では主にパスカルのSI単位が使用されます。

圧縮応力の式

圧縮応力の式は、物体に加えられた力をその断面積で割ることで計算されます。数学的に表すと：

圧縮応力 = 力 ÷ 面積

力がニュートン（N）、面積が平方メートル（m²）で表されるとき、圧縮応力の単位はパスカル（Pa）になります。多くの用途で高い圧縮力が存在するため、工学と材料科学では圧縮応力は一般的にキロパスカル（kPa）またはメガパスカル（MPa）で表現されます。

圧縮応力の次元式

圧縮応力の次元式は以下の式で与えられます：

[M][L]⁻¹[T]⁻²

次元解析は、異なる物理量の次元や測定単位を調べ、それらの関係を分析・理解するための数学的技法です。問題に関わる物理量を、長さ、時間、質量、温度などの基本次元で表現します。
次元解析は、これらの量の次元と測定単位を追跡することで、計算と式の正確性と一貫性を確保し、単位換算を合理化するのに役立ちます。他の単位系と比較して、メートル法またはSI単位の規則的な10進法により、異なる次元単位間の換算がより簡単になります。

圧縮応力は、材料が圧縮されたときに単位面積あたりに作用する力として定義されます。式は以下で表現されます：

圧縮応力 = 力 / 面積

ここで：

1. 力は加えられた力。
2. 面積は圧縮される面の面積。

力の次元式は以下で表現できます：

力 = m×a = kg × m·s⁻² = [M][L][T]⁻²

質量のSI単位kgを質量の次元Mで、長さのSI単位mを長さの次元Lで、時間のSI単位sを時間の次元Tで置き換えます。

面積の次元式は以下で表現できます：

面積 = m² = [L]²

ここで：

1. Lは長さの次元。

これらの式を圧縮応力の式に代入すると：

= 力 / 面積

= [M][L][T]⁻² / [L]²

この式を簡略化すると、分子の長さの次元を分母の長さの次元の二乗で割れます：

[M][L]¹÷[L]²[T]⁻²

= [M][L]¹⁻²[T]⁻²

= [M][L]⁻¹[T]⁻²

高圧縮応力が意味するもの

高圧縮応力とは、圧縮力が特定の材料または構造が変形または破壊なしに耐えられるレベルを超えていることを意味します。高圧縮応力の上限は、考慮中の特定の材料または構造および使用条件に依存します。材料または構造が高圧縮応力を受けると、変形、座屈、または破断する可能性があります。工学と材料科学では、高圧縮応力はさまざまな用途で構造破壊と安全リスクを引き起こす可能性があるため、深刻な懸念と見なされます。

圧縮応力の例

圧縮応力は建設用途で観察できます。コンクリートは構造物建設に使用され、その圧縮強度で知られています。標準コンクリートの典型的な強度は4,000～6,000 psi、高強度グレードでは最大10,000 psiです。圧縮応力の例は、コンクリートスラブの上に荷重が載せられたときです。外部圧縮力の適用により、コンクリートを構成する原子が元の原子間距離を維持しようとして、コンクリート内部に等しく逆向きの力が生成されます。

コンクリート構造物の補強には通常鋼材が使用されます。これは材料の引張強度を高めますが、圧縮強度には大きく寄与しません。建設プロジェクトではゴム入りコンクリートも利用できます。ゴム入りコンクリートは通常のコンクリートより圧縮強度が低くなります。コンクリート混合物にゴム粒子を添加すると、材料の全体密度が低下し、セメント粒子のインターロックに影響を与えます。ゴム入りコンクリートは、多くの用途に適した適切な圧縮強度を示しながら、靭性、耐久性、耐衝撃性の向上という利点があります。

どの材料がより高い圧縮応力を持つか？

鋼は、アルミニウム、真鍮、銅などの材料と比較してより高い圧縮強度を持ちます。これはより高い弾性率（ヤング率）を持つためです。弾性率は、応力下で材料が弾性変形に抵抗する能力の尺度です。弾性率が高いとは、圧縮における塑性変形の発生とその後の破壊前に、より多くの応力を加えられることを意味します。鋼は高い延性も持ちます。この特性により、強力な圧縮力を受けても割れることなく曲がり変形できます。

どの材料がより低い圧縮応力を持つか？

他の材料と比較して、コンクリートは低い圧縮強度を持ちます。その圧縮強度は約4,000～6,000 psiで、真鍮、銅、鋼より低いです。コンクリートの低い圧縮強度はその組成に起因します。砂、砂利、セメント、水で構成される複合材料です。材料強度の大部分は砂/砂利骨材によって提供されます。セメントは骨材粒子を結合するバインダーとして機能します。しかし、多孔質であるため、コンクリートは圧縮力を受けると破断やひび割れしやすくなります。

圧縮応力の試験方法

圧縮応力の決定方法の概要を以下に示します：

1. 試験片準備： 試験する物質の試験片を準備します。試験方法と試験材料の種類に応じて、材料を特定の形状やサイズに切断、穴あけ、成形することが含まれる場合があります。
2. 試験セットアップ： 試験片を試験装置の2つのプレッテン（圧子）の間に配置します。プレッテンは通常鋼製で、圧縮力を試験片表面に均等に分散するように設計されています。
3. 荷重： 万能試験機などの試験装置を用いて、試験片に圧縮荷重を連続的に加えます。荷重速度は試験方法で通常指定され、試験材料の種類によって変わる場合があります。
4. 荷重と変形の測定： 圧縮荷重が加えられるにつれ、試験装置は加えられている力の量と試験片の変形または変位を測定します。これらの測定値は、材料の瞬時圧縮応力とひずみの計算に使用されます。
5. 破壊とデータ分析： 試験片が破壊するか、所定の荷重または変形限界に達するまで荷重を増加させます。試験データを分析して材料の圧縮強度を決定します。

圧縮応力の計算方法

圧縮応力の計算式は以下の通りです：

圧縮応力 = 力 / 面積

ここで：

1. 圧縮応力：圧縮力の結果として材料が経験する応力。
2. 力：通常ポンドまたはニュートンで表現される、材料に加えられる圧力の量。
3. 面積：通常平方インチまたは平方メートルで表現される、力の方向に垂直な材料の断面積。

式を用いて圧縮応力を計算するには、単純に圧縮力を材料の断面積で割ります。結果の圧縮応力は、ポンド毎平方インチ（psi）またはニュートン毎平方メートル（N/m²）で測定するのが一般的です。

圧縮応力に関するよくある質問

圧縮応力の主な原因は？

圧縮応力の主な原因は、材料を圧迫・圧搾する外力の適用であり、体積減少をもたらします。構造物や物体が材料の上に押し付けられる、油圧または機械的力の適用など、いくつかの方法で起こり得ます。

圧縮応力の起こり得る影響は？

圧縮応力は材料の座屈、変形、破断を引き起こす可能性があります。材料が力を受けると圧縮応力を経験します。この応力は材料の座屈、粉砕、圧密を引き起こす可能性があります。材料の強度と靭性に応じて、圧縮応力はコンポーネントまたは構造物の永久変形または破壊を引き起こす可能性があります。

圧縮応力を完全に防止することは可能か？

いいえ、圧縮応力を完全に回避することはできません。物体が圧搾または圧迫されると圧縮応力が生じます。これは多くの物理プロセスの正常な結果です。しかし、圧縮に対してより耐性のある材料の使用や、応力を均等に分散する構造の設計など、慎重な工学と設計判断により、圧縮応力を軽減または管理することは可能です。

引張応力と圧縮応力の違いは？

圧縮応力は材料が圧搾・圧迫されるときに発生し、引張応力は材料が引き離される・引き伸ばされるときに発生します。両者の主な違いは、引張応力が材料の原子を引き離すのに対し、圧縮応力は材料を押し合わせることです。材料が特定の種類の力に耐える能力に基づいて選択・設計される工学と建設では、この2種類の応力の違いを理解することが重要です。

まとめ

本記事では、圧縮応力を紹介し、それが何であるか、計算に必要なさまざまな式について説明しました。圧縮応力についてさらに詳しく知りたい方は、Xometryの担当者までお問い合わせください。
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Dean McClements

Dean McClementsは、機械工学のB.Eng Honorsを取得し、製造業界で20年以上の経験を持つエンジニアです。Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yaleなど大手企業で重要な役割を担い、エンジニアリングプロセスとイノベーションへの深い理解を培ってきました。

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