熱変形や線膨張係数ってなに?材料力学の専門用語を分かりやすく説明【材料力学用語辞典】

材料力学用語辞典:熱変形、線膨張係数

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ひずみ

 

【書き起こし】熱変形や線膨張係数ってなに?材料力学の専門用語を分かりやすく説明【材料力学用語辞典】

(00:01) こんにちは この材料力学用語辞典では材料力学で出て くる専門用語をわかりやすく説明していき ます 今日の用語は熱変形線膨張係数 です 材料力学用語辞典ではこれまでに歪みを 説明しました 概要欄に載せておくのでまだご覧になって いない方はご覧ください このような丸棒の温度を上げると寸法が 大きくなります このように温度変化によって生じる変形を 熱変形と言います 具体的に温度が t 0の時に長さ l 0 の丸棒 御堂 t 1に上げた時長さが l 1に 大きくなったとします ここで復習ですが歪みとはのび太長さを元 の長さで割ったものでした 先ほどの熱変形にこの歪みの定義を使って みましょう
(01:04) 温度が t 0のとき長さは変化してい ないので歪みはゼロです 温度が t 1になると長さが変わるので 歪みが生じます この時の歪みをイプシロン1とします 歪みはのび太長さを元の長さで割ったもの でした 元の長さが l 0のび太長さが l 1 – l 0なので歪みは l 0分の l 1- l ゼロです この温度変化によって生じる歪みを熱歪み と言います 外力によって歪みが生じる時は外力の方向 と直交する方向で歪みの政府が逆になり ますが熱歪みは政府が同じになります 温度が上がって長さが大きくなった時は 直径方向も大きくなるからです 次にこの温度と熱歪みの関係の勾配を アルファとすると 熱歪みのイプシロン市はアルファと温度 変化量 t 1- t 0の席になります この勾配アルファを線膨張係数といい材料
(02:12) によって決まる値です いろいろな用語が出てきたのでここまでを まとめます 熱変形とは温度変化によって生じる変形の ことです 熱歪みとは温度変化によって生じる歪みの ことで全方向に生じます 例えば円柱の場合長さ方向の熱歪みが生の 時は直径方向も生になります 線膨張係数とは温度と熱歪みの関係の傾き のことです 熱歪みは線膨張係数と温度変化量の席で 表されます 次に各材料の線膨張係数を見てみましょう 線膨張係数は一般的に中の-6帖ぱーど しーという単位で示されます 温度が一度 c 変化した時に中の-6畳 の歪みが生じる時に位置になります セラミックスの線膨張係数は比較的小さく おおむね10かける中の-6帖ぱーど ce
(03:18) かです 代表的なセラミックスであるアルミナは約 7です 金属の線膨張係数は一般的にセラミックス より大きいです 鉄は約12アルミは約23です 樹脂の線膨張係数は一般に金属より大きい です エポキシ樹脂は約50 テフロン樹脂は約100です ただし樹脂はフィラーや繊維などを含有 すると線膨張係数が大きく変わるので注意 してください ゴムの線膨張係数は一般に樹脂より大きい です シリコーンゴムは約300です これらの材料以外の身近で使われる材料と して半導体の材料であるシリコンの線膨張 係数は約さんです ガラスは約8 コンクリートは約12ですねここで示した 数値は目安です 例えばアルミナやエポキシ樹脂といっても
(04:22) さまざまな種類があるので具体的に設計 などをするときは使用する材料の線膨張 係数を確認するようにしてください 身の回りにある滅変形の例を見てみ ましょう 一つ目として瓶の蓋が開きにくいとき 温めると開きやすくなりますよねえ これは熱変形の効果です 例えば便がガラス蓋がアルミで直径が 80mm の時に重度 c から80度 c に温めると瓶と蓋の隙間はどう変わる でしょうか まず2の熱変形を求めましょう アルミの線膨張係数は23かける中の-6 帖ぱーどしーです 2に生じる熱歪みは線膨張係数と温度変化 量の席なのでこのようにも止まります 2の熱変形は歪みと長さの席なので 0.11mm となります 2だけを温めた場合は0.11mm 隙間 が大きくなりますが便の方も温めるときは
(05:29) 2と便の熱変形量の差が隙間の変化になり ます そこで次に便の熱変形を求めましょう ガラスの線膨張係数は8かける中の-6帖 ぱーどしーです 瓶に生じる熱歪みは線膨張係数と温度変化 量の席です 2の熱変形は歪みと長さの席で 0.04mm となります 2と便の熱変形が求まったので熱変形のさ を求めます それぞれの熱変形はこのようにも止まった ので 温めることで 0.07mm 隙間が大きくなると分かり ます このように隙間が大きくなることがフタが 開きやすくなる原因です 熱変形の例の2つ目として鉄道のレールを 考えましょう 鉄道のレールは隙間を設けて設置されてい てこの隙間を電車が通過することでゴトン ゴトンといった音が出ます嫁
(06:33) この隙間はベイルの熱変形を逃がすために 設けられています 長さ25メートルの鉄のレールが20度 c から50度 c に温度上昇した時の変形 量を求めましょう 鉄の線膨張係数は中にかける中の-6帖 ぱーどしーです ベイルに生じる熱歪みは線膨張係数と温度 変化量の席です メールの熱変形は歪みと長さの席で9mm となります 今回は50度 c になった時の熱変形を 求めましたが真夏の炎天下ではもっと高い 温度になることもあるのでメールの隙間は 9mm より大きく設けられています 熱変形の例の3つ目としてボルトとナット を考えましょう ボルトやナットは鉄ステンレスアルミなど さまざまな材料で作られています ですが異なる材料のボルトとナットの 組み合わせで締結すると緩みやすくなる
(07:37) ことを知っていますか 先ほどの瓶が開けやすくなるのと同じよう にボルトとナットの材料が異なると温度 変化によってボルトとナットの寸法に差が できて緩みやすくなってしまいます ボルトとナットは同じ材料の組み合わせを 用いるようにしてください 熱変形の例の4つめとして自動車の エンジンを考えましょう エンジンは使用中に温度が上がります また温度は均一にあがるのではなく温度 分布がつきます そのためエンジンが冷えている時と使用中 では異なる形状になります エンジンの性能を引き出すためには使用中 に最適な形状になる必要があります そこで使用中の温度分布で最適な形状に なるように熱変形を考慮した設計や製造が 行われています まとめです 熱変形とは温度変化によって生じる変形の ことです
(08:41) 熱歪みとは温度変化によって生じる歪みの ことで全方向に生じます 例えば円柱の場合長さ方向の熱歪みが生の 時は直径方向も生になります 線膨張係数とは温度と熱歪みの関係の傾き のことです 熱歪みは線膨張係数と温度変化量の席で 表されます 線膨張係数は材料ごとに異なり一般的に セラミックス金属樹脂ゴムの順で大きく なります 熱変形は便の開け方など身近で役立つ一方 で鉄道や自動車などさまざまな製品で課題 になっています 今回のご視聴ありがとうございました このチャンネルでは材料力学を用いて効果 的な筋トレの姿勢を考えたり自転車の ホイールのように材料力学を使って作られ ているものについて考えたりと材料力学が 生活にどのように役立つかを考えています
(09:47) ぜひそちらの動画もご覧ください チャンネル登録と高評価もお願いします それでは次回の動画でお会いしましょう

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