弾性、応力、ひずみ

弾性とは

弾性とは、材料が外力を受けたときに変形（伸張、圧縮、曲げ）を起こし、その力を取り除くと元の形状に戻る能力のことです。基本的に、弾性材料は伸びたり圧縮されたりした後に「跳ね返る」。材料が永久変形せずに元の形状に戻る範囲は弾性限界によって決定され、それを超えると材料は永久に変形または破壊します。

弾性、応力、ひずみ

弾性を理解するには、応力と ひずみという2つの関連する概念を理解することが不可欠です。

- 応力とは、単位面積当たりに材料に加わる力のことで、パスカル（Pa）やポンド毎平方インチ（psi）で測定されることが多い。引張応力（引っ張る力）、圧縮応力（押す力）、せん断応力（滑る力）などの種類に分類することができます。

- ひずみは応力の結果であり、応力が加わったときに材料に生じる変形を表します。これは無次元量であり、長さ（または形状）の変化を元の長さまたは形状で割ったものとして計算されます。

弾性材料に応力が加わるとひずみが生じますが、材料が弾性限界内にある限り、ひずみは可逆的です。つまり、材料は応力を取り除くと元の形状に戻ります。

弾性材料の応力とひずみの関係は一般的に線形であり、フックの法則で説明することができます。フックの法則とは、材料が弾性限界内にある限り、ひずみ量は加えられた応力に正比例するというものです。

一般的な弾性材料

様々な材料が程度の差こそあれ弾性挙動を示しますが、最も一般的な例としては以下のようなものが挙げられます：

- ゴム: 高い弾性で知られるゴムは、大きく伸びて、力を除くと元の形状に戻ります。タイヤ、シール、エラストマーなどの製品に広く使われている。

- スチール：鋼鉄は強靭で弾性の高い素材であり、大きな荷重がかかってもわずかにしか変形しないため、橋や建物などの構造用途に理想的である。

- 木材: 木材にはある程度の弾性があり、特に梁や板材に使われる場合は、圧力がかかっても折れることなく曲げることができる。

- コンクリート: コンクリートは弾力性に乏しいが、特に鉄筋と組み合わせた場合（鉄筋コンクリート）、建築の特定の用途には十分な弾力性を持つ。

- ポリマー：ナイロンやポリエチレンのような多くのポリマーは大きな弾性を示し、フレキシブル包装、織物、医療用途に理想的である。

ニチノール：スマートな弾性材料

弾性の最も魅力的な例のひとつに、ユニークな弾性特性を示す形状記憶合金の一種であるニチノールがある。ニチノールは主にニッケルとチタンでできており、元の形状を「記憶」することができる。

- 形状記憶効果：ニチノールはある温度で変形させることができ、加熱すると元の形状に戻る。この特性は、特定の温度で起こる相変化によるもので、材料が所定の形状に「スナップ・バック」することを可能にする。

- 超弾性：形状記憶効果に加えて、ニチノールは超弾性も示します。これは、ニチノールが応力を受けて大きく変形しても、その応力が材料の通常の弾性限界を超えても、永久変形することなく元の形状に戻ることを意味します。超弾性は、ステント、眼鏡フレーム、アクチュエーターなどの医療機器に特に有用です。

ニチノールは、高弾性、形状記憶、超弾性の組み合わせにより、生体医工学、航空宇宙、ロボット工学などの分野で画期的な材料となっています。

よくある質問

弾性と塑性の違いは何ですか？

弾性とは、材料が変形した後に元の形状に戻る能力のことで、塑性とは、壊れることなく永久的な変形を受ける能力のことです。弾性のある材料は元の形状に戻りますが、塑性のある材料は元に戻りません。

すべての素材が弾性を持つのですか？

いいえ、すべての素材が弾性を持つわけではありません。弾性を示す材料は、変形後に元の形状に戻ることができます。ガラス、セラミック、脆い金属などの材料は、元の形状に戻るのではなく、割れたり破れたりすることがあります。

弾性の測定方法は？

弾性は通常、弾性率またはヤング率によって測定されます。弾性率は、材料に加えられた応力を結果として生じたひずみで割ることによって決定されます。

ニチノールはなぜ医療機器に使用されるのですか？

ニチノールは、その超弾性と 形状記憶特性により、医療機器に使用されています。これらの特性により、ステント、ガイドワイヤー、その他の手術器具など、柔軟性とあらかじめ定義された形状に戻る能力が重要な動的環境で機能することができます。

温度は弾性にどのような影響を与えますか？

多くの材料において、弾性は温度によって変化します。温度が上昇すると、材料はより柔軟になるか、場合によっては弾性特性が失われます。例えば、ニチノールはある温度で相変化を起こし弾力性が増しますが、スチールのような多くの金属は高温では弾力性が低下します。