回転剛性とは?
回転剛性(ねじり剛性、角剛性とも呼ばれます)は、構造部材・軸・継手・ばねなどがねじりにどれだけ強く抵抗するかを表す指標です。加えたモーメント(トルク)と、それによって生じる回転角との比として定義されます。剛性が高いほど、同じトルクを加えても部材はほとんど回転せず、剛性が低いほど簡単にねじれます。標準的な単位はニュートンメートル毎ラジアン(N·m/rad)です。
この計算ツールの使い方
加えたトルク \(T\) をニュートンメートル(N·m)で、その結果生じる角変位 \(\theta\) をラジアンで入力してください。本ツールはトルクを角変位で割り、回転剛性を算出します。角度が「度(°)」で与えられている場合は、まず \(\pi/180\)(約0.01745)を掛けてラジアンに変換してから入力してください。
計算式の解説
基本となる式は $$k = \frac{T}{\theta}$$ で、各記号の意味は次のとおりです。
• \(k\) = 回転剛性(N·m/rad)
• \(T\) = 加えたトルク(モーメント)(N·m)
• \(\theta\) = 角変位(ラジアン)
これは直線ばねの剛性(\(k = F / x\))を回転運動に置き換えたものです。弾性範囲内ではトルクと回転角が比例するため、剛性は一定の値になります。
計算例
ある軸に 100 N·m のトルクが作用し、0.05 ラジアンだけねじれたとします。このとき、$$k = \frac{100}{0.05} = 2000 \ \text{N}\cdot\text{m/rad}$$ となります。この軸は1ラジアン回転させるのに 2000 N·m のトルクを必要とするため、かなり剛性の高い部材だといえます。
よくある質問
どの単位を使えばよいですか? トルクはニュートンメートル(N·m)、角度はラジアンを使えば、剛性は N·m/rad で求められます。
角度が「度」の場合はどうすればよいですか? ラジアンに変換してください。\(\text{ラジアン} = \text{度} \times \pi / 180\) です。たとえば 2.86° ≈ 0.05 rad となります。
ばねや梁にも使えますか? はい。弾性範囲内でモーメントと回転角が線形関係にある部材であれば、どのようなものでもこの剛性で特徴づけることができます。