- 科目
- 材料力学
- 章
- 引張と圧縮
- 図番
- 02 / 22
- 内容
- シミュレータ・例題3問
鉄の棒も、じつはばねフックの法則と縦弾性係数
弾性の範囲では応力とひずみが比例し(σ = Eε)、その比例定数 E が材料の硬さ。棒の伸び ΔL = PL/(EA) と、棒を1本のばねと見たときの k = EA/L を、応力-ひずみ線図(弾性・降伏・引張強さ・破断)といっしょに見る。

このページの内容
この単元のポイント
- 弾性の範囲では、応力とひずみは比例する。。比例の定数 (縦弾性係数)は、直線の傾きで、材料の硬さ。鋼は約 206 GPa、アルミは約 70 GPa。
- 棒の伸びは 。直径 16 mm・長さ 1 m の鋼の丸棒を 20 kN で引くと 0.483 mm。同じ形のアルミなら 1.42 mm(約 2.9 倍)。
- 棒は、ばね定数 の1本のばね。上の鋼の丸棒は、1 mm 伸ばすのに約 41 kN(およそ 4 トンの重さ)が要る。ただし、降伏点をこえると、もう元に戻らない。
鉄の棒も、伸びている
天井から、輪ゴム・コイルばね・鉄の棒を下げて、同じおもりを吊るします。
輪ゴムは、目に見えて伸びます。ばねも伸びます。でも、鉄の棒は、伸びたようには見えません。

それでも、鉄の棒は、ちゃんと伸びています。応力とひずみ の、直径 16 mm・長さ 1 m の鋼の丸棒は、20 kN(およそ 2 トンの重さ)で引っぱると、0.483 mm 伸びました。
では、鉄の棒は、どれだけ伸びるのでしょうか。
予想してから読む直径 16 mm・長さ 1 m の丸棒を、鋼から、同じ形のアルミに替えます。同じ 20 kN で引くと、伸びは?
答えを先に言います。伸びは、引っぱる力に比例します。ばねと同じです。
でも、これだけでは計算できません。同じ力でも、材料によって、伸びは何千倍もちがいます。そして、力を上げていくと、比例しなくなる限界があります。
この単元では、この 2 つを数字にします。そして最後に、鉄の棒も 1 本のばねとして計算できることを確かめます。
応力とひずみは、比例する
応力とひずみ の 2 つの数字を、振り返ります。応力 は、力を断面積で割ったもの。ひずみ は、伸びを、もとの長さで割ったものでした。
棒を少しだけ引っぱって、応力とひずみを測ります。力を少しずつ増やして、グラフに点を打っていくと、点は、原点を通るまっすぐな線に乗ります。
応力とひずみは、比例します。これをフックの法則と言います。
比例の定数 を、縦弾性係数と言います。ヤング率とも呼びます。
は、グラフの直線の傾きです。傾きが急なほど、少し伸ばすだけでも、大きな応力が要ります。つまり、伸びにくい、硬い材料です。
前の単元の「粒とばね」の絵で言えば、 は、材料の中の小さなばねの硬さに当たります。
鋼の丸棒で、E を確かめる
何を確かめるか先に言います。前の単元の鋼の丸棒の、応力とひずみから、 を逆に出してみます。使う式は、フックの法則を について解いた形です。
ひずみには単位がないので、 の単位は、応力と同じです。とても大きな数になるので、GPa で書くのがふつうです。1 GPa = 1,000 MPa なので、鋼の は 206 GPa です。
この は、計算で出す数ではありません。棒を引っぱって、力と伸びを測って、決めてきた値です。
ヤング率という名前は、イギリスの科学者トマス・ヤングが、1807 年の講義の本で、この考え方を説明したことから来ています。いま材料の表に載っている値は、そのあとも、多くの人が試験をくり返して確かめてきたものです。
縦弾性係数は、材料で何千倍もちがう
は、材料ごとに決まっています。
| 材料 | (概数) | 鋼と比べて |
|---|---|---|
| 鋼 | 約 206 GPa | 基準 |
| 銅 | 約 120 GPa | 鋼の約 6 割 |
| アルミ | 約 70 GPa | 鋼の約 3 分の 1 |
| 木(繊維の向き) | 約 9 GPa | 鋼の約 20 分の 1 |
| ゴム | 約 0.01〜0.1 GPa | 鋼の約 2,000〜20,000 分の 1 |
表の数字は、どれも概数です。合金の種類・熱処理・加工の程度・木の樹種などで変わります(銅は 110〜130 GPa ほどの幅があります)。設計では、使う材料の資料の値を使ってください。
大事なのは、桁のちがいです。鋼とアルミの差は、3 倍たらず。でも、鋼とゴムの差は、206 ÷ 0.1 = 2,060 倍から、206 ÷ 0.01 = 20,600 倍です。

ここで言う「硬さ」は、爪で引っかいたときの傷のつきにくさ(硬度)ではありません。力をかけたときの、変形のしにくさです。
棒の伸びの公式
フックの法則に、応力の式とひずみの式を入れると、棒全体の伸びが出せます。1 段ずつ進めます。
できた式が、棒の伸びの公式です。
前の単元の丸棒で、確かめる
何を確かめるか先に言います。前の単元では、応力 → ひずみ → 伸び、と 2 段で計算しました。この公式なら 1 回で出ます。同じ答えになるかを確かめます。
| 記号 | 意味 | 前の単元の丸棒 |
|---|---|---|
| 引く力(荷重) | 20 kN = 20,000 N | |
| もとの長さ | 1,000 mm | |
| 縦弾性係数 | 鋼 206 GPa = 206,000 MPa | |
| 断面積 | 201.1 mm²(直径 16 mm) |
前の単元と、同じ 0.483 mm です。
公式を、3 つのかたまりに分けて読む
- 応力 断面の 1 mm² が受け持つ力です。細い棒ほど大きくなります。
- 伸びやすさ 材料の硬さの逆数です。
- 長さに積もる 1 mm あたりの伸びが、棒の長さの分だけ積み重なります。
なぜ 1/E が「伸びやすさ」なのか
フックの法則 の両辺を で割って、ひずみの式に直します。
ひずみは、応力に をかけたものです。つまり は、1 MPa の応力で、どれだけひずむかを表します。
鋼とアルミで比べます。
1 MPa あたりのひずみは、アルミが鋼の約 2.9 倍です。 が大きいほど伸びにくく、 が大きいほど伸びやすい、という関係です。
同じ丸棒をアルミで作ると、伸びは 1.42 mm。この約 2.9 倍が、そのまま伸びの差になります。
「長さに積もる」とは
2 m の棒は、1 m の棒を 2 本つないだものと同じです。どちらの 1 m も、同じひずみで同じだけ伸びるので、全体の伸びは 2 倍です。
前の単元の丸棒が 2 m なら、0.483 × 2 = 0.966 mm です。
棒は、1 本のばね
ばねの公式に、並べてみる
ばねは、引く力と伸びが比例します。比例の定数がばね定数 で、1 mm 伸ばすのに、どれだけの力が要るかを表します。
棒の伸びの公式を、この形に直してみます。両辺に をかけると、右辺では と が約分で消えて、 だけが残ります。
左右を入れかえて、ばねの公式と上下に並べます。
は 、 は 。そして、 の場所にあるのが です。
棒は、ばね定数が の、1 本のばねとして扱えます。

粒とばねの絵で読む
前の単元の「粒とばね」の絵で、この式を読めます。
- 断面積 が大きいと、横に並んで力を分け合うばねが多くなります。ばねが並ぶほど、全体は硬くなります。だから は分子にあります。
- 長さ が長いと、一列につながるばねが多くなります。つながるほど、それぞれの伸びが積もって、全体はやわらかくなります。だから は分母にあります。
- が大きいのは、1 つ 1 つのばねが硬い材料です。
太く、短く、 の大きい材料ほど、硬いばねになります。
鋼の丸棒のばね定数
前の単元の丸棒のばね定数を出します。
1 mm 伸ばすのに 41,400 N、つまり約 41 kN。およそ 4 トンの重さが要ります。ふつうのコイルばねと比べると、ずっと硬いばねです。
ボルトは、ばねとして使う
この見方は、実物の設計で、そのまま使います。
ボルトを締めると、ナットが回って、ボルトの軸は、ほんの少し引き伸ばされたまま止まります。
引き伸ばされたばねは、縮もうとします。この縮もうとする力で、ボルトは 2 枚の板をはさんで押さえつけています。板も、わずかに縮んでいます。
たとえば、M10 のボルトで、はさむ長さが 30 mm、押さえる力が 20 kN なら、伸びは次のとおりです。断面積は、前の単元で出てきた、ねじの部分の有効断面積 58 mm² を使います。
髪の毛 1 本ほどの伸びで、2 トンの力で押さえているのです。ボルトの伸びを測って、締め付けの力を確かめる方法も、実際に使われています。
ただし、降伏点をこえるまで締めると、伸びが戻らなくなり、押さえる力が抜けてしまいます。ボルトは、弾性の範囲で、ばねとして使います。
どの数字が、いちばん効く?
荷重・長さ・断面積・縦弾性係数のどれか 1 つを、10% 大きくすると、伸び はどう変わるでしょうか。式 の、どこにあるかで決まります。
| 変えるもの | 伸びの変化 | 理由 |
|---|---|---|
| 荷重 を 10% 大きく | +10% | 分子に 1 乗 |
| 長さ を 10% 長く | +10% | 分子に 1 乗 |
| 断面積 を 10% 大きく | −9.1% | 分母に 1 乗(1/1.1 ≒ 0.909) |
| 縦弾性係数 を 10% 大きく | −9.1% | 分母に 1 乗 |
4 つとも 1 乗で効くので、効き目は、ほとんど同じです。
ただし、太さを直径で変えるときは別です。直径を 10% 太くすると、断面積は 1.1² = 1.21 倍。伸びは 1/1.21 = 0.826 倍で、約 17% 減ります。前の単元の応力と、同じ効き方です。
つまり、ものを作るときは
伸びを小さくしたいなら、断面積を大きくするか、長さを短くするか、 の大きい材料を選びます。どれも、効き目は同じです。
鋼をアルミに替えて、同じ伸びにするには、断面積を約 2.94 倍にしなければなりません。アルミの重さは、同じ体積で鋼の約 3 分の 1(密度は鋼 7.85、アルミ 2.70 g/cm³)なので、重さは 2.94 × 2.70 ÷ 7.85 = 1.01 倍。ほとんど変わりません。
は、「強い鋼」でも「安い鋼」でも、ほぼ同じ約 206 GPa です。伸びを減らすために、高価な高強度の鋼に替えても、効果はありません。
どこまで比例するか
ここまでの比例は、力が小さい範囲の話です。力を、どんどん上げていくと、どうなるでしょうか。
試験片を、切れるまで引っぱって、応力とひずみを描いたものを、応力-ひずみ線図と言います。軟鋼(炭素の少ない、やわらかめの鋼)の線図は、次の形をしています。

- 弾性の範囲 はじめは、まっすぐな線です。この傾きが 。力を外せば、元の長さに戻ります。
- 降伏点 やがて、応力がほとんど増えないのに、ひずみだけが進む所に来ます。ここから先は、力を外しても、元の長さに戻りません(塑性変形)。
- 引張強さ さらに引っぱると、応力はもう一度上がって、最高点に着きます。棒が耐えられる応力の最大値です。このあと、棒の一部が細くくびれます。
- 破断 くびれたところで、切れます。
一般構造用の鋼 SS400(JIS G 3101)では、厚さ 16 mm 以下なら、降伏点は 245 MPa 以上、引張強さは 400〜510 MPa です。
弾性の範囲は、思ったよりずっと狭いのです。降伏点でのひずみは、フックの法則から出せます。
1 m の棒で、1.19 mm 伸びたところが、元に戻れる限界です。切れるまでのひずみは、その 100 倍をこえます。線図の、ほんの根元だけが、弾性の範囲です。
前の単元の丸棒の 99.5 MPa は、降伏点の約 4 割(99.5 ÷ 245 = 0.41)。弾性の範囲の中です。
上の線図と、下のシミュレータの鋼は、少し低めに見て、降伏点を 235 MPa(厚さ 16 mm をこえ 40 mm 以下の規格値)にしています。このときの弾性の限界は 0.114%、1 m の棒で 1.14 mm です。
クリップを少しだけ曲げると、手を離せば戻ります。大きく曲げると、曲がったまま戻りません。曲げた所が、降伏点をこえたからです(曲げのときの応力の分かれ方は、曲げ応力の式 の単元で扱います)。
アルミのように、降伏点がはっきり出ない材料では、0.2% のひずみが残る応力を、代わりに使います。これを 0.2% 耐力と言います。
棒を引っぱると、伸びた分、細くもなります。横のひずみと縦のひずみの比をポアソン比といい、鋼では約 0.3 です。この先の単元では使わないので、名前だけ覚えておいてください。
動かしてみよう
材料を選んで、荷重 を、ゼロからゆっくり増やしてみてください。応力・ひずみ・伸びの数字と、線図の上の点が、いっしょに動きます。
- 弾性の範囲では、荷重と伸びが比例します。荷重を 2 倍にして、伸びが 2 倍になることを確かめてください。
- 初期値は、上で計算した直径 16 mm(断面積 201 mm²)・長さ 1 m の鋼の丸棒を、20 kN で引いたところです。伸びは 0.483 mm、ばね定数は約 41 kN/mm です。
- 荷重を 47.5 kN まで上げると、応力が降伏点(235 MPa)をこえて、警告が出ます。線図の点が、水平な部分を一気に飛び越えます(荷重を決めて引くと、点が飛びます)。
- 「荷重を外したあとに残るひずみ」が 0 でなくなったら、もう元の長さには戻りません。
- アルミに替えると、同じ荷重でも、伸びが鋼の約 2.9 倍になり、右の線図の直線の傾きが約 3 分の 1 に寝ます。
- 材料のボタンは、E・降伏点・引張強さを入れます。鋼の値は SS400 の規格の下限(降伏点は、厚さ 16 mm をこえ 40 mm 以下の値)、アルミは押出材 A6063-T5 の規格の下限(0.2% 耐力 110 MPa・引張強さ 150 MPa)、銅の降伏点・引張強さは図を描くための仮の値です。線図の形は軟鋼の模式図です。
伸びは実際にはとても小さいので、図では見やすいように拡大して描いています。図の下で、「倍率を固定」と「実寸」を切り替えられます。
試してみよう0 / 3
- 荷重 P を2倍の 40 kN にして、伸びと線図の点を見る(まだ)
- 荷重を 20 kN に戻し、E の欄をアルミの 70 GPa に書き換えて、伸びを見る(まだ)
- E を 206 に戻し、荷重を 47.5 kN まで上げて、ばねとして使える限界を見る(まだ)
伸びは実際には小さいので、見やすいように拡大して描いています。倍率は、初期値のときの ×129 のまま変えないので、数字を変えると、伸びの大きさが、そのまま図に出ます。
いまの式(数字を入れた形)
- 応力(引張)
- ひずみ
- 棒の伸び
- 弾性のままなら(フックの法則)の伸び
- 棒のばね定数
- 応力 ÷ 降伏点
- 荷重を外したあとに残るひずみ
途中の計算(導出)を見る
応力(荷重 ÷ 断面積)
ひずみ(弾性のままなら:フックの法則 σ = E ε を ε について解く)
伸び(弾性のままなら:ひずみ × もとの長さ)
棒をばねと見たときのばね定数(荷重 = k × 伸び とおいたとき)
いまの状態(応力を降伏点・引張強さと比べる)
よくある勘違い
「強い材料にすれば、伸びなくなる」
強さと硬さは、別の性質です。前の単元の勘違いの節でも見ました。
| 言葉 | 意味 | 数字 |
|---|---|---|
| 強さ(強度) | どこまで耐えられるか | 降伏点 、引張強さ |
| 硬さ(剛性) | 同じ力でどれだけ変形するか | 縦弾性係数 |
弾性の範囲の伸びは で決まるので、強い鋼に替えても、同じ荷重での伸びは変わりません。強い鋼で変わるのは、降伏点をこえるまでの余裕です。
ばねに使うピアノ線も、 はふつうの鋼とほとんど同じ、約 200 GPa です。ちがうのは、元に戻れる範囲の広さです。ピアノ線には、引張強さが 2,000 MPa をこえるものがあります。仮に降伏点を 1,500 MPa とすると、元に戻れるひずみは 0.73% で、SS400(0.119%)の約 6 倍。だから、大きく曲げても戻るのです(降伏点の値は仮のものです。線の種類や太さで変わります)。
「降伏したら、すぐ壊れる」
ちがいます。降伏点をこえても、引張強さまでは、まだ荷重に耐えます。
ただ、元の長さに戻らなくなるので、機械の部品としては、降伏点をこえたら、もう使えないと考えます。
「応力が 2 倍なら、いつでも伸びも 2 倍」
ちがいます。比例するのは、弾性の範囲だけです。降伏点をこえると、応力はほとんど増えないのに、ひずみが一気に進みます。
この公式が使える条件
- 荷重を外すと元に戻る範囲(降伏点より下)
- 棒の太さは、全長で同じ。荷重は、断面の中心にまっすぐかかる
- 引っぱる場合の話(細くて長い棒を押し縮めるときは、折れ曲がる座屈が先に起きるので、オイラーの座屈荷重 で扱います)
- 荷重はゆっくり増やす(急に荷重をかけると、この計算より大きな応力が出ます)
- 棒の重さは考えない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
伸びの公式と、ばね定数:本文の「棒の伸びの公式」と「棒は、1 本のばね」の節で、1 段ずつ導きました。もう一度まとめると、応力の定義 、ひずみの定義 、フックの法則 の 3 つから、
ばねをつなぐと:長さ と の棒を一列につなぐと(直列)、同じ力で、伸びが足し合わさります。
長さ の 1 本の棒と同じです。断面積 と の棒を横に並べると(並列)、同じ伸びで、力が足し合わさるので、。断面積 の 1 本の棒と同じです。
荷重を外したあとに残るひずみ:降伏点をこえて、いったん荷重を外すと、応力とひずみは、弾性の直線と平行な線をたどって、ゼロへ戻ります。降伏点をこえた点でのひずみを 、応力を とすると、戻ったときに残るひずみは、
です。第 2 項は、荷重を外したときに戻る分(弾性のひずみ)です。シミュレータの「荷重を外したあとに残るひずみ」は、この式で出しています。線図の形は、軟鋼の模式図(降伏の水平部分のひずみ 2%、引張強さのひずみ 18%、破断のひずみ 25% は、この単元で決めた模式の値)で、実際の材料の値ではありません。
例題
例題1 工場の天井から吊るした鋼の丸棒
工場の天井から、直径 12 mm(断面積 113.1 mm²)の鋼の丸棒で、装置を1本吊るします。棒の長さは 2.5 m、装置の重さが 8 kN(約 815 kg)。鋼の縦弾性係数は 206 GPa、降伏点は 235 MPa とします。棒自身の重さは考えません。
(1) 棒に生じる応力は何 MPa ですか。(2) ひずみは何 % ですか。(3) 棒は何 mm 伸びますか。(4) 応力は降伏点の何 % ですか。
ヒント 1 / 2
応力は 、ひずみはフックの法則から 、伸びは です。
ヒント 2 / 2
力は 8,000 N、断面積は 113.1 mm²。E は 206,000 MPa(N/mm²)に直して使います。
答えと解き方を見る
応力(荷重 ÷ 断面積)
ひずみ(弾性のままなら:フックの法則 σ = E ε を ε について解く)
伸び(弾性のままなら:ひずみ × もとの長さ)
応力は 荷重 ÷ 断面積。8,000 N ÷ 113.1 mm² で、約 70.7 N/mm²(= MPa)です。
70.7 MPa は降伏点の約 30%。弾性の範囲にいるので、ひずみは σ/E、伸びはひずみ × 長さで求められます。2.5 m の棒が 1 mm にも満たない伸びです。
例題2 同じ形の鋼の棒とアルミの棒
断面積 200 mm²、長さ 500 mm の棒を、鋼とアルミで1本ずつ用意し、どちらも 5 kN で引きます。縦弾性係数は、鋼 206 GPa、アルミ 70 GPa(目安)とします。どちらも弾性の範囲にいるものとします。
(1) それぞれの伸びは何 mm ですか。(2) アルミの伸びは、鋼の何倍ですか。(3) それぞれの棒を、荷重 = k × 伸び のばねと見たときのばね定数 k は何 N/mm ですか。
ヒント 1 / 2
伸びは 。形と荷重が同じなら、伸びは E に反比例します。ばね定数は です。
ヒント 2 / 2
鋼の伸びは mm。アルミは、分母の E を 70,000 にします。
答えと解き方を見る
応力(荷重 ÷ 断面積)
ひずみ(弾性のままなら:フックの法則 σ = E ε を ε について解く)
伸び(弾性のままなら:ひずみ × もとの長さ)
棒をばねと見たときのばね定数(荷重 = k × 伸び とおいたとき)
形も荷重も同じなら、伸びは E に反比例します。アルミの伸びは、鋼の 206 ÷ 70 = 約 2.94 倍です。
ばね定数は k = EA/L。E が 3 分の 1 弱のアルミは、k も同じ割合で小さくなります。
例題3 降伏点を越えない断面積
長さ 400 mm の鋼の棒に、15 kN の引張荷重をかけます。縦弾性係数は 206 GPa、降伏点は 235 MPa とします。
(1) 断面積 50 mm² の棒では、応力は何 MPa ですか。降伏点の何 % ですか。(2) 降伏点を越えないために、断面積は少なくとも何 mm² 必要ですか。(3) 断面積を 64 mm² にしたとき、応力と、棒の伸びは?
ヒント 1 / 2
応力 を、降伏点 235 MPa と比べます。(2) は、応力がちょうど降伏点になる断面積 です。
ヒント 2 / 2
力は 15,000 N。(1) は N/mm² です。
答えと解き方を見る
応力(荷重 ÷ 断面積)
ひずみ(弾性のままなら:フックの法則 σ = E ε を ε について解く)
伸び(弾性のままなら:ひずみ × もとの長さ)
15,000 N ÷ 50 mm² = 300 N/mm²。降伏点 235 MPa を越えるので、荷重を外しても元の長さには戻りません。このとき ΔL = PL/(EA) は使えません。
降伏点ぎりぎりの断面積は 15,000 ÷ 235 = 63.8 mm²。切りのよい 64 mm² にすると、応力は降伏点の 99.7% で、ほとんど余裕がありません。実際の設計では、降伏点そのものではなく、余裕を見込んだ値(許容応力)で断面を決めます。