圧縮応力の説明:定義、単位、公式、および実際の例

物体を圧縮または圧迫するような外部の力が加わると、圧縮応力と呼ばれる一種の応力が発生します。圧縮応力により、材料内の原子は、結晶構造や原子間力が許容する以上に互いに接近しようとします。原子は、弱い結晶面や欠陥や空隙で互いにすり抜け、座屈や最終的には破損を引き起こします。
圧縮応力は構造や材料の強度と耐久性に影響を与えるため、工学および材料科学における重要な原理です。通常、圧縮応力はパスカル (Pa) または平方インチ当たりのポンド (psi) で表されます。圧縮応力は、物体に加えられる力をその力に垂直な断面積で割ることによって計算できます。

圧縮強度は、材料が圧縮下で破壊するまでに耐えることができる最大応力です。これは、材料が特定の用途に適しているかどうかを決定するため、材料工学において重要なパラメータです。この記事では、圧縮応力、その計算方法、いつ発生するかについて説明し、例を示します。

圧縮応力とは何ですか?

圧縮応力は、物体が圧迫される機械的な力です。この特定の種類の応力の結果、材料の分子が互いに近づき、物体の変形や破損につながります。圧縮応力に対する材料の反応を理解することは、大小を問わず構造物や人工物の強度、安全性、寿命に影響を与えるため、工学および材料科学の重要な部分です。
17 世紀の数学者および物理学者であるロバート フックは、フックの法則を最初に提案しました。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説明します。それ以来、材料科学と工学の発展の結果、圧縮応力を計算および分析するための新しいアプローチと方法がさまざまな用途に開発されてきました。

圧縮応力 vs. 圧縮強さ

圧縮応力とは、圧縮力を受けたときに材料が単位面積あたりに発生する内部抵抗を指し、通常はパスカル (Pa) または平方インチあたりのポンド (psi) で表されます。これは、適用される荷重と形状によって変化する可変量です。
対照的に、圧縮強度は固定された材料特性であり、材料が破損したり永久に変形する前に耐えることができる最大圧縮応力を定義します。圧縮応力は荷重中に測定されますが、圧縮強度は構造の完全性が失われる閾値を表します。

圧縮応力はいつ発生しますか?

物体に力が加わると圧縮応力が発生し、物体が圧迫されます。これは、2 つの物体の間に何かが押し付けられた場合や、材料に大きな圧力がかかった場合など、さまざまな状況で発生する可能性があります。構造や材料は圧縮荷重に頻繁にさらされるため、工学的に設計された構造内で圧縮応力が発生することは一般的な現象です。

圧縮応力の SI 単位とは何ですか?

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 平方メートルあたり 1 ニュートン (N/m2) に相当します。多くの材料は高い荷重を受けるため、工学や材料科学では圧縮応力はキロパスカル (kPa) またはメガパスカル (MPa) で測定されることがよくあります。圧縮応力を表すには大気 (atm) と平方インチ当たりのポンド (psi) も使用されますが、科学および工学の用途では主にパスカルの SI 単位が使用されます。

圧縮応力の公式とは何ですか?

圧縮応力の公式は、物体に加えられる力をその断面積で割ることによって計算されます。数学では、次のように書きます。

圧縮応力 =力 ÷ 面積

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

圧縮応力の次元公式とは何ですか?

圧縮応力の寸法公式は次の式で与えられます。

[M][L]^-1[T]^-2

次元分析は、さまざまな物理量の寸法または測定単位を調べて、それらの間の関係を分析および理解するために使用される数学的手法です。問題に関係する物理量は、長さ、時間、質量、温度などの中心的な次元で表現されます。
次元分析は、これらの量の次元と測定単位を追跡することで、計算と式の精度と一貫性を確保するだけでなく、単位変換を効率化するのにも役立ちます。他の単位系と比較して、メートル法または SI 単位の通常の 10 進法を使用すると、異なる次元単位間の変換が簡単になります。

圧縮応力は、材料が圧縮されたときに材料に作用する単位面積当たりの力として定義されます。式は次のように表されます。

圧縮応力 =力 / 面積

場所:

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力は加えられる力です。

面積は、圧縮されるサーフェスの面積です。

力の次元公式は次のように表すことができます。

力 =m×a =kg × ms^-2 =[M][L][T]^-2

質量の SI 単位 kg は、質量の次元 M に置き換えられます。長さの SI 単位 m は、長さの次元 L に置き換えられ、時間の SI 単位 s は、時間の次元 T に置き換えられます。

面積の次元公式は次のように表すことができます。

面積=m^2=[L]^2

場所:

<オル>

L は長さの寸法です。

これらの式を圧縮応力の式に代入すると、次のようになります。

=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 2 乗で割ることができます。

[M][L]^1÷[L]^2[T]^-2

=[M][L]^1-2[T]^-2

=[M][L]^-1[T]^-2

高い圧縮応力とは何を意味しますか?

高い圧縮応力とは、物質または構造が変形または破損することなく耐えられる圧縮力よりも大きいことを意味します。高い圧縮応力の上限は、検討中の特定の材料や構造、および使用状況によって異なります。材料や構造は、高い圧縮応力を受けると、変形、座屈、または破損する可能性があります。工学および材料科学では、高い圧縮応力はさまざまな用途で構造破損や安全上のリスクを引き起こす可能性があるため、重大な懸念事項と見なされています。

圧縮応力の例は何ですか?

圧縮応力は、構造物の構築にコンクリートが使用される建設用途で観察されることがあります。コンクリートは圧縮強度が高いことで知られており、標準的なコンクリートの典型的な強度は 4,000 ～ 6,000 psi、高強度グレードの場合は最大 10,000 psi です。圧縮応力の例としては、コンクリート スラブの上に荷重がかかった場合が挙げられます。外部圧縮力を加えると、コンクリート構造を構成する原子が元の原子間距離を維持しようとするため、コンクリート内に同じ逆向きの力が発生します。

鋼は通常、コンクリート構造物を補強するために使用されます。圧縮強度にはあまり寄与せずに、材料の引張強度を高めます。建設プロジェクトでもゴム引きコンクリートの恩恵を受けることができます。ゴム引きコンクリートは通常、通常のコンクリートよりも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追加すると、材料全体の密度が減少し、セメント粒子の結合方法に影響を与えます。ゴム入りコンクリートには、靭性、耐久性、耐衝撃性が向上するという利点があり、さらに多くの用途に対して適切な圧縮強度を発揮します。

圧縮応力がより高い材料はどれですか?

スチールは弾性率が高いため、アルミニウム、真鍮、銅などの材料に比べて圧縮強度が高くなります。弾性率は、応力下での弾性変形に抵抗する材料の能力の尺度です。弾性率が高いということは、圧縮における塑性変形とそれに続く破損が始まる前に、より多くの応力を加えることができることを意味します。鋼は高い延性もあります。この特性により、強力な圧縮力が加わった場合でも、亀裂を生じることなく曲げたり変形したりできます。

圧縮応力が低い材料はどれですか?

コンクリートは他の材料に比べて圧縮強度が低いです。その圧縮強度は約 4,000 ～ 6,000 psi で、真鍮、銅、鋼よりも低いです。コンクリートの圧縮強度が低いのは、その組成に起因する可能性があります。砂、砂利、セメント、水からなる複合材料です。材料の強度の大部分は、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一緒に保つ結合剤として機能します。ただし、コンクリートは多孔性があるため、圧縮力がかかると破損したり亀裂が入ったりしやすくなります。

圧縮応力をテストするには?

圧縮応力を決定する方法の概要を以下に示します。

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サンプルの準備: 試験する物質のサンプルを準備します。試験方法や試験対象の材料の種類によっては、材料を切断、穴あけ、または特定の形状やサイズに成形する必要がある場合があります。

テストのセットアップ: 試験セットアップの一部として、試験装置上の 2 つのプラテンの間にサンプルを置きます。プラテンは通常スチールでできており、サンプルの表面全体に圧縮力を均等に分散することを目的としています。

読み込み中: 万能試験機などの試験装置を用いて、サンプルに継続的に圧縮荷重を加えます。通常、試験方法では荷重速度が指定されますが、これは試験対象の材料の種類に応じて変化する場合があります。

荷重と変形の測定: 試験装置は、加えられた力の量と、圧縮荷重が加えられたときのサンプルの変形または変位を測定します。これらの測定値は、材料の瞬間的な圧縮応力とひずみを計算するために使用されます。

障害とデータ分析: サンプルが破損するか、所定の荷重または変形限界に達するまで、増加する荷重が適用されます。材料の圧縮強度は、テストデータを分析することによって決定されます。

圧縮応力を計算するにはどうすればよいですか?

圧縮応力の計算式は次のとおりです。

圧縮応力 =力 / 面積

場所:

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圧縮応力:圧縮力の結果として材料が受ける応力

力:通常はポンドまたはニュートンで表され、材料にかかる圧力の量です。

面積:通常は平方インチまたは平方メートルで表され、力の方向に垂直な材料の断面積です。

式を使用して圧縮応力を計算するには、圧縮力を材料の断面積で割るだけです。結果として生じる圧縮応力をポンド/平方インチ (psi) またはニュートン/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何ですか?

圧縮応力の主な原因は、材料を一緒に押し付けたり絞ったりする外部の力の適用であり、その結果体積が減少します。構造物や物体が材料を押し付けたり、水圧や機械的な力を加えたりすることは、これが起こる可能性のあるほんの一例にすぎません。

圧縮応力によって考えられる影響は何ですか?

圧縮応力により、材料が座屈したり、変形したり、破損したりする可能性があります。材料に力が加わると、材料には圧縮応力が生じます。この応力により、材料が座屈したり、潰れたり、圧縮したりする可能性があります。材料の強度と弾性によっては、圧縮応力がコンポーネントや構造の永久変形や破損を引き起こす可能性があります。

圧縮応力を防ぐことは可能ですか?

いいえ、圧縮応力を完全に回避することはできません。物体が圧迫されたり押されたりすると、圧縮応力が発生します。これは多くの物理的プロセスの正常な結果です。圧縮に対する耐性がより高い材料の使用や応力を均等に分散する構造の作成など、エンジニアリングと設計を慎重に決定することで、圧縮応力を軽減または管理できます。

引張応力と圧縮応力の違いは何ですか?

圧縮応力は材料が絞られたり押し付けられたりすると発生しますが、引張応力は材料が引き離されたり伸ばされたりすると発生します。 2 つの主な違いは、引張応力は材料の原子を引き離すのに対し、圧縮応力は材料を互いに押し付けることです。エンジニアリングや建設では、特定の種類の力に耐える能力に基づいて材料を選択および設計する必要があるため、これら 2 種類の応力の違いを理解することが重要です。

概要

この記事では、圧縮応力について説明し、圧縮応力とは何かを説明し、その計算に必要なさまざまな公式について説明しました。圧縮応力の詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。
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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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