弾力性の理解

物理学および材料科学における弾性とは、歪みを引き起こす力に耐え、力が取り除かれると元の寸法を回復する身体の能力を指します。十分な負荷がかかると、固体オブジェクトが変形します。素材が弾力性のある場合、重りを取り除いた後、オブジェクトは元のサイズと形状に戻ります。これが起こるのを防ぎ、アイテムが変形したままになる可塑性とは異なります。

この記事では、次の質問に対する回答について説明します:

• 弾力性とは?
• 伸縮性はどのように機能しますか?
• 弾力性を発見したのは誰?
• 弾力性が役立つのはなぜですか?

弾力性とは?

物理学および材料科学における弾性とは、歪みを引き起こす力に耐え、力が取り除かれると元の寸法を回復する身体の能力を指します。十分な負荷がかかると、固体オブジェクトが変形します。素材が弾力性のある場合、重りを取り除いた後、オブジェクトは元のサイズと形状に戻ります。これが起こるのを防ぎ、アイテムが変形したままになる可塑性とは異なります。

材料が異なれば、弾性挙動の根本的な物理的原因は大きく異なる可能性があります。力が加えられると、金属の原子格子のサイズと形状が変化します (システムにエネルギーが追加されます)。力が取り除かれると、格子は最初の低エネルギー状態に戻ります。力が加えられたときにポリマー鎖が伸びることで、ゴムやその他のポリマーに弾力性が与えられます。

フックの法則によれば、距離がどれほど大きくても、弾性のあるアイテムを変形させるために使用される力は、変形の距離に正比例するはずです。与えられたオブジェクトは、それがどれほどひどく変形されたかに関係なく、元の形状に戻ります。これは完全な弾力性として知られています。

これは単に理想的な概念です。実際には、弾性材料の大部分は、塑性 (永久) 変形を受ける前の比較的小さな変形まで、純粋な弾性特性のみを保持します。

ヤング率、体積弾性率、またはせん断弾性率とも呼ばれる弾性率は、1 単位のひずみを生成するために必要な応力の量の尺度です。弾性率が高いほど、材料が変形しにくいことを示します。

パスカルは、この弾性率の SI 単位 (Pa) として機能します。塑性変形が始まる前に存在できる最大の張力は、材料の弾性限界または降伏強度として知られています。パスカルは、その SI 相当値 (Pa) でもあります。弾性材料の例には、輪ゴム、伸縮性材料、およびその他の伸縮性材料が含まれます。一方、モデリング用粘土は弾力性がなく、加えられた力が停止した後でも変更された形状を維持します.

弾性はどのように機能しますか?

変形を生み出す力が解放されると、弾性体は元のサイズと形状に戻ることができます。この機能は、ボディの弾性動作 (または応答) と呼ばれます。ほとんどの固体材料はある程度の弾性挙動を示しますが、各材料には、弾性回復が達成できる力とそれに伴う変形の量に制限があります。

永久変形が始まる前に固体材料内に存在できる単位面積あたりの最大応力または力は、弾性限界として知られています。弾性限界を超える応力が加えられると、材料が降伏または流動します。このような材料の弾性限界は、弾性挙動から塑性挙動への移行を示します。弾性限界を超える応力は、脆性材料の大部分で破壊を引き起こし、塑性変形はほとんどありません。

弾性限界は、対象となる固体の種類によって大きく異なります。たとえば、鉄の棒やワイヤーは、元の長さの約 1% しか弾性的に伸ばすことができませんが、一部のゴム状の材料でできたストリップでは、最大 1,000% の弾性的な伸びが可能です。

ただし、スチールはゴムよりもはるかに強力です。これは、ゴムが最大の弾性伸びに影響を与えるのに必要な引張力がスチールよりも小さいためです (約 0.01 倍)。緊張状態にある多くの固体は、これら 2 つの極値の間に収まる弾性特性を持っています。

鋼とゴムは微視的な構造が大きく異なるため、巨視的な弾性特性が異なります。材料に応力がかかっていないときに原子を規則的なパターンに保つ短距離原子間力は、鋼やその他の金属に柔軟性を与えるものです.

原子結合は、比較的小さな変形で応力下で壊れることがあります。一方、ゴム状の物質やその他のポリマーは長鎖分子で構成されており、物質が伸ばされるとほどけ、弾性回復中にはね返ります。基礎となるメカニズムではなく、材料の巨視的な反応が、弾性の数学的理論と工学力学への応用の焦点です。

引張応力 (材料の断面積の単位面積あたりの張力または伸張力) と伸張率 (伸張された長さと初期の長さの差を初期の長さで割った値) e の間の線形関係、単純で直接的な張力テストは、鋼や骨などの材料の弾性応答を特徴付けます。

つまり、式 =Ee は が e に比例することを意味し、比例定数である E はヤング率とも呼ばれます。ゴムとスチールのEの値の比率は、材質にもよりますが約100,000です。構成法則は方程式 =Ee であり、フックの法則とも呼ばれます。

伸縮性について詳しくは、以下のビデオをご覧ください:

弾性を発見したのは誰?

素材によっては他の素材よりも柔軟性があり、力に対して異なる方法で反応することは以前から知られていましたが、弾力性について議論する際には、Robert Hooke の名前を覚えておく必要があります。アイザック ニュートンの生前に生きたフックは、弾性がどのように機能するかを正確に計算して分析した最初の人物です。

バネを使った広範なテストを通じて、フックは 1660 年にフックの法則としても知られる弾性の法則を発見しました。この法則の基本的な信条は、アイテムの比較的小さな変形 (伸縮や曲げなど) に対して、変位または変形量は、変形力または荷重に正確に比例します。このような状況で負荷が取り除かれると、オブジェクトは元のサイズと形状に戻ります。

以前の挙動は、フックの法則に従って固体の弾性挙動を説明するために使用できます。材料が弾性であるためには、その構成粒子が外力に応じて内部で動くことができなければならず、フックの法則によれば、この動きは加えられた力に正比例する必要があります.

これは完全な法則ではありませんが (より大きな力の場合、弾性限界を超えることがよくあります。これは、力が正確に比例するよりも多くの変形を引き起こすことを意味します)、フックの法則は、主題を研究し始めたばかりのときに理解することが最も重要です!

弾力性が役立つのはなぜですか?

何かを作る必要があるたびに、弾力性の重要性を認識する必要があります。結局のところ、嵐の中で崩壊するほど硬直した構造や、何も測定できないほど柔軟な定規を作成しても意味がありません.

このため、超高層ビルのように小さくても大きくても、オブジェクトを作成または修復する作業を必要とするほとんどすべてのタスクで、材料の弾性限界を理解することが重要です。これは、車両や建物などに特に当てはまります。

それらがさまざまな原因に起因する可能性のある極度の負担にさらされたとき、私たちはこれらのものに頼って頑丈さを維持し、故障しないようにする必要があります.特にエンジニアにとって、弾力性を研究することは不可欠です。弾力性は、これらのアイテムが害に耐えるのにどれだけ適しているかに大きく影響する可能性があるためです.

まとめ

フックの法則は、距離がどれほど大きくても、弾性のあるアイテムを変形させるために使用される力は、変形の距離に正比例するはずであると述べました.物理学および材料科学における弾性とは、歪みを引き起こす力に耐え、力が取り除かれると元の寸法を回復する身体の能力を指します。この記事はこれですべてです。ここでは、弾力性に関する次の質問に回答しています。

• 弾力性とは?
• 伸縮性はどのように機能しますか?
• 弾力性を発見したのは誰?
• 弾力性が役立つのはなぜですか?

読書から多くのことを学べることを願っています。もしそうなら、親切に他の人と共有してください。読んでくれてありがとう。また会いましょう!