ひずみエネルギーは、材料科学および構造工学の分野における基本概念であり、荷重を受けて変形したときに材料または構造によって吸収されるエネルギーを表します。
一端が固定され、自由端で軸方向の力を受ける棒を考えてみましょう。この軸力により棒内に応力が生じ、棒の伸びが生じます。軸力が増加すると棒の伸びも増加し、加えられる力と結果として生じる変形との直接的な関係がわかります。この動作は、荷重-変形プロットによってグラフで表すことができます。
棒を少量だけ伸ばすために軸方向の力によって行われる仕事は、力と対応する伸びの積に等しくなります。グラフ的には、この作業は、特定の伸びに対する荷重変形曲線の下の領域に対応します。任意の伸びに対して棒に加えられた総仕事量を計算するには、伸びの限界にわたって力と伸びの方程式を積分する必要があります。この合計仕事量は、装置へのエネルギー入力を表し、ひずみエネルギーとして保存されます。材料の弾性限界内では、弾性変形によって材料に蓄えられるひずみエネルギー U は伸びの 2 乗に比例します。
ひずみエネルギーの概念により、エンジニアは材料や部品のエネルギー吸収能力を定量化できます。これは、永久変形や破損を起こすことなく荷重に耐える能力を評価するために不可欠です。ひずみエネルギーは、ショックアブソーバーやエネルギー貯蔵装置の設計、衝撃力の解析など、さまざまな工学用途でも重要な役割を果たします。
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