力学において、変形とは、外力や熱的効果によって固体の形状、寸法、または内部配列が変化することを指す。この概念は工学力学、材料科学、連続体力学の中心的なテーマであり、工学者は荷重がどのようにひずみを生み、そのひずみが部材内部の応力とどう関係するかを調べる。

変形の種類

  • 引張変形は、引っ張り荷重を受けた部分の長さを増やし、断面を減少させる。
  • 圧縮変形は、圧縮荷重によって材料を短くしたり、押しつぶしたりする。
  • せん断変形は、接線方向の力によって層が互いにずれながら移動する現象である。
  • 曲げは、部材の一方の側に引張、反対側に圧縮を生じさせる。
  • ねじりは、軸のまわりの回転変形であり、その軸の周囲にせん断応力を生じる。

変形はひずみで特徴づけられ、ひずみは相対的な変位の尺度である。変形を駆動するのは応力であり、応力は単位面積当たりの力として定義される。ひずみが小さく可逆的であれば弾性変形であり、材料が降伏すると永久的な塑性変形になる。解析では、線形で小さく比例的な挙動と、幾何学的効果や材料応答が大きく変わる大変形・非線形変形とを区別する。

測定、分類、歴史

実務では、変形はひずみゲージ、伸び計、デジタル画像相関法などの光学的手法で定量化される。工学者は引張試験の応力–ひずみ曲線を用いて、弾性係数、降伏強さ、延性を求める。理論的基盤は、弾性と遠心機械力学の初期研究にさかのぼり、17世紀に定式化されたフックの法則は、多くの材料における応力とひずみの最初の簡明な比例関係を与えた。

重要な区別として、変形場が一様か不均一か、材料応答が等方的か異方的か、さらにクリープや粘弾性のような時間依存現象がある。これらの違いを理解することは、材料選定と構造設計を導き、破壊を避ける助けとなる。

応用範囲は、建物、橋梁、航空機部品の設計から、地質断層の解釈、成形加工、生体組織の研究まで広い。変形の正確な予測と測定は、工学のさまざまな分野で安全性、性能、革新を支えるうえで不可欠である。