はじめに：応力ひずみ曲線と荷重変位曲線とは？
材料の強さや性質を調べる実験では、いくつかのグラフが使われます。その中でも特に重要なのが、応力ひずみ曲線と荷重変位曲線です。
言葉は似ているけれど、実は意味も役割も違うため、初めて学ぶ人には混乱することも多いです。
ここでは中学生でも理解できるように、この2つの曲線の違いや特徴について詳しくわかりやすく解説していきます。
応力ひずみ曲線とは何か？
まず応力ひずみ曲線ですが、これは材料に力を加えたときに、どのくらい変形（ひずみ）するかを示すグラフです。
・応力（stress）は、材料にかかる力の強さのことで、単位はパスカル（Pa）やメガパスカル（MPa）が使われます。
・ひずみ（strain）は材料の変形の割合で、元の長さに対してどれくらい伸びたり縮んだりしたかを示します。たとえば、長さが100cmの棒が1cm伸びたら、ひずみは1%です。
このグラフは縦軸に応力、横軸にひずみをとって描かれます。材料の強さや伸びやすさ、壊れやすさなどを判断するために重要な曲線です。
応力ひずみ曲線を見ることで、弾性限界や降伏点、破断点などの特徴的な部分を知ることができます。
荷重変位曲線とは何か？
一方で荷重変位曲線は、材料に加えた荷重（力の大きさ）と材料や試験装置の変位（移動や伸びた距離）をグラフにしたものです。
・荷重はニュートン（N）などの力の単位で表されます。
・変位はミリメートル（mm）などで表され、材料や機械部分がどれくらい動いたかを示します。
縦軸に荷重、横軸に変位をとって描かれることが多いです。
こちらは実験の現場で直接測定できる値を使ったグラフで、機械の動きや材料の伸びをリアルタイムで知るために役立ちます。
ただし、このグラフだけでは材料単体の性質を正確に表しにくいことがあります。
応力ひずみ曲線と荷重変位曲線の違いを表でまとめてみよう
| 項目 | 応力ひずみ曲線 | 荷重変位曲線 |
|---|---|---|
| 軸の表示 | 応力（Paなど）とひずみ（無次元割合） | 荷重（Nなど）と変位（mmなど） |
| 意味 | 材料の性質や強さを表す | 実験で測れる力と伸びの関係 |
| 計算の必要性 | 荷重と断面積から応力、変位と元の長さからひずみを計算して作成 | 実験装置から直接測定し記録 |
| 用途 | 材料評価、設計に重要 | 実験状況の把握、機械の動作監視に使う |
実際の使い分けと注意点
応力ひずみ曲線は材料の本来の強度や性質を知るために重要なので、断面積や元の長さを正確に測定して計算する必要があります。
一方、荷重変位曲線は機械や試験装置によって測定されるので、装置の変形も入ることがあり、材料そのものの性質だけを表すものではありません。
材料の研究や設計をする際は、荷重変位曲線から応力ひずみ曲線に正確に変換して評価することが大切です。
中学生の実験でも、この違いを理解しておくとより深く材料の性質を学べるでしょう。
まとめ
・応力ひずみ曲線は材料の性質を示すもので、
・荷重変位曲線は実験で直接測れる力と変形を示すもの。
・両者は似ているようで、表すものや使い方が違います。
しっかり違いを理解して材料の強さや伸び方を調べることが大切です。
今回の内容が、応力ひずみ曲線と荷重変位曲線の違いを理解し、材料の性質をよりよく学ぶ助けになれば嬉しいです。
今回の話で興味深いのはひずみ（strain）の部分です。
ひずみは単なる伸びや縮みの割合ですが、実はこの小さな変形が材料の強さや壊れ方を教えてくれる“秘密のカギ”なんです。
例えば、同じ長さのゴムと鉄を引っ張ったとき、ゴムは大きく伸びるためひずみも大きくなります。鉄はあまり伸びず、ひずみが小さいです。
この違いが応力ひずみ曲線に表れて、どんな材料がどんなふうに使えるかがわかるんですね。
だからひずみはただの“伸び”ではなく、材料の性質を深く理解するために欠かせない大切な数字なんです。
次の記事： 【初心者必見】試験環境と開発環境の違いをわかりやすく解説！ »
科学の人気記事
