第2章 船体強度
2.1 材料力学の基礎
2.1.1 荷重、応力、ひずみ、ヤング係数
物体に外から働く力を外力といい、これに対して自身の重さとか、運動していることによって生ずる慣性力(加速度に比例する)を内力という。これら外力と内力とを合わせて荷重といい、物体を変形させたり、破壊させたりするもととなる。単位はkgかtonを用いる。物体に与える変形のもようによって荷重を分けると、引張、圧縮、せん断、曲げ、ねじり、などの種類になる。
荷重に加わると、物体の内部にこれに抵抗して応力が生じる。応力は単位面積当りの力の形で表わし、kg/mm2、ton/cm2などの単位が用いられる。さきに述べた鋼材の強さもこの応力を単位として表わしている。単位面積当りにするのは、いろいろ寸法の異なった場所での比較に便利なためで、土地の価格や建築費を坪当りとか、m2当りとかであらわすのと同じである。
応力によって物体の形は変化する。たとえば、引張り応力を受けると伸び、曲げ応力を受ければ曲がる。この変化量ともとの寸法との割合をひずみ(歪)という。この場合は単位長さ当りの変形長さでcm/cm、mm/mmのように表わせる。普通非常に小さい値(百万分の1から千分の1まで位)なので、×10-6(百万分の1単位)または×10-3(千分の1単位)と書き、cm/cmは省略する。
前章の1.3で鋼材について説明したときに、縦軸に応力を、横軸にひずみを取って表示したが、これを応力-ひずみ曲線という。鋼材では弾性限度内(正確には比例限度内)では、応力が2倍になれば、ひずみも2倍になるように応力とひずみは比例している。この比例常数をヤング係数(応力をひずみで割った値といってもよい)という。単位は応力の単位と同じで、ただ数字は大きい。鋼材のヤング係数は21,000kg/mm2(2.1×104kg/mm2)で、鋼材の種類によらずほぼ一定と考えてよい。
(1) 引張
いま、第2.1図のような丸棒の両端を、図のように引っぱれば、長さが長くなって太さが細くなる。
このような荷重を引張荷重あるいは引張力といって、この場合、棒の両端に働く二つの力Pは必ず同じ大きさで、その方向は反対である。この二つの力Pを受けた棒の中には、どこで切ってもPと同じ大きさの引張力P1とP2とが向かい合って生じて、力を他の部分に伝えている。
