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張力とは?1分でわかる意味、向き、単位、応力、求め方、問題

張力は、物の内部に生じる引き合う力のことです(主に垂直方向の内部力)。物の内部に生じる力を応力と言います。例えば、糸の先に重りを吊るします。このとき、糸には張力が生じています。今回は、張力の意味、向き、単位、応力との関係、求め方、張力の問題について説明します。※応力については下記の記事が参考になります。

応力とは?1分でわかる意味と種類、記号、計算法

張力とは?

張力とは、物の内部に生じる引き合う力のことです。建築では、「引張力」ともいいます。例として、よく「糸」を使います。糸は、引っ張る力に強い材料です。糸の先に重りを吊るすと、糸が「ピン」と張りますね。このとき、糸には「引きあう力(張力)」が生じています。※張力と引張力は、ほとんど同じ意味です。下記の記事が参考になります。

引張、圧縮とは?1分でわかる意味、違い、符号、強度の関係

張力

張力の向きと応力

張力は「引きあう力」と説明しました。単に「引っ張る力」と考えても良いです。下図をみてください。糸の先端(下側)に重りを吊るしました。重り付きの糸の上側を、手でつまんでいます。

張力の向きと重り

糸はピンと張っていますね。糸の内部には矢印の向きに、力が作用しています。

張力の向き

矢印の向きで「逆じゃないか」と混乱した方はいますでしょうか。張力は「物の内部に生じる力」です。わかりやすいよう「外力」を追加した図を示します。

張力と外力

糸は、重りによる外力で下向きの力が作用します。糸は、外力と釣り合うため、「糸の内部に、外力と逆向きの力が作用する」のです。


また、重りが落ちないよう、上側は手でつまんでいます。これは、手から上向きの力を加えているのと、同じです。重りによる下側の力、手による上向きの力に「釣り合う力」が糸に生じます。


要は、

が、張力の向きを間違えない秘訣です。計算式や矢印の向きだけでなく、実現象をイメージすると間違いが減ります。下記の記事も参考にしてくださいね。

引張、圧縮とは?1分でわかる意味、違い、符号、強度の関係

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張力の単位

張力の単位は、


kN


が一般的です。建築では上記の単位を両方使います。構造計算をすると、kNを使うことが多いです。扱う力が大きいからです。


NやkNの単位を、SI単位系といいます。SI単位系は下記の記事が参考になります。

SI単位系とは?1分でわかる意味、一覧、基本単位、変換、ニュートン

張力の求め方

張力の求め方は簡単です。下式で計算します。


Fは張力(N、kN)、mは重りの質量(kg)、aは重力加速度(m/s2)です。前述しましたが、単位はSI単位系で表示します。kgとNの単位変換などは下記の記事が参考になります。

knからkgの換算法は?1分でわかる換算、単位変換、knとkgfの関係

張力の問題

実際に、張力の問題をときましょう。下図をみてください。重りの質量が5.0kgで、重力加速度が10m/s2のとき、糸に生じる張力を計算してください。

張力の問題

簡単ですね。答えは、

です。


次の問題です。重りの質量が5.0kg、重力加速度が10 m/s2です。さらに、手を上側に2.0 m/s2の加速度で引張り、引き揚げました。糸に作用する張力を計算してください。


ここでも、外力と内力の関係を混同しないよう注意してください。「手を上側に引っ張る」ということは、糸への「張力が増える」と同じことです。


よって、

です。

まとめ

今回は張力の意味について説明しました。意味が理解頂けたと思います。張力は、物の内部に生じる引き合う力です。建築では、引張力ともいいます。張力は応力なので、力の向きに注意してくださいね。ポイントは、外力と内力の違いを理解することです。外力と内力の違いは、下記が参考になります。

応力とは?1分でわかる意味と種類、記号、計算法

引張、圧縮とは?1分でわかる意味、違い、符号、強度の関係

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