伸び計算ツールとは?
この伸び計算ツールは、まっすぐな構造部材に軸方向の力が加わったとき、その軸に沿ってどれだけ伸びる(または縮む)かを求めるものです。一様な断面を持つ棒(プリズマティックバー)に対して、弾性域でフックの法則を適用します。これは機械工学・土木工学・構造工学で世界共通に用いられる基本的な計算です。
計算式
軸方向の伸びは次の式で求められます。
$$\Delta L = \frac{\text{Force }F \cdot \text{Length }L}{\text{Area }A \cdot \text{Modulus }E}$$ここで \(F\) は加える軸方向の力(ニュートン、N)、\(L\) はもとの長さ(メートル、m)、\(A\) は断面積(平方メートル、m²)、\(E\) はヤング率(パスカル、Pa)です。本ツールでは、ひずみ \(\varepsilon = \Delta L / L\)(公称ひずみ)と、軸応力 \(\sigma = F / A\) もあわせて表示します。
使い方
力、もとの長さ、断面積、そして材料のヤング率を入力します。いずれもSI単位でそろえてください。結果として、伸びをメートルとミリメートルで表示するほか、ひずみと応力も求められます。荷重は必ず材料の弾性限度内に収めてください。この線形の式は降伏点より下でのみ成り立ちます。
計算例
長さ2 m、断面積0.0001 m²(100 mm²)の鋼棒(\(E = 200\ \text{GPa} = 2 \times 10^{11}\ \text{Pa}\))に、10,000 Nの引張荷重がかかる場合を考えます。このとき $$\Delta L = \frac{10000 \times 2}{0.0001 \times 2 \times 10^{11}} = \frac{20000}{20{,}000{,}000} = 0.001\ \text{m} = 1\ \text{mm}$$ となります。ひずみは \(0.001 / 2 = 0.0005\)、応力は \(10000 / 0.0001 = 100{,}000{,}000\ \text{Pa}\)(100 MPa)です。
よくある質問(FAQ)
圧縮の場合にも使えますか? はい。圧縮力を使えば同じ式で計算できます。この場合 \(\Delta L\) は縮み量を表します。ただし、部材が座屈しないことが前提です。
どの単位を使えばよいですか? SI単位を使ってください。力はN、長さと面積はmとm²、ヤング率はPaです。単位を混在させる(たとえばmmとmを混ぜる)と誤った答えになります。
結果は常に正確ですか? この式は、一様で線形弾性の部材が降伏強さより低い荷重を受けることを前提としています。弾性限度を超えると挙動は非線形になり、本ツールでは正しく計算できません。