ヤング係数Eとは?意味・単位・覚え方を構造力学の学習者向けに解説

構造力学の基礎

ヤング係数Eは、材料の「伸びにくさ(剛性)」を表す値です。構造力学では、部材の変形(たわみ・伸び縮み)を計算するときの定数として頻出します。


ヤング係数Eとは?

ヤング係数Eは、材料に引張(または圧縮)したときにどれだけ変形するかを表した比例定数です。

線形弾性の範囲では

  • 応力:σ(N/mm²)

  • ひずみ:ε(無次元)

  • ヤング係数:E

として、フックの法則

σ=E ε

が成り立ちます。

とまぁ言葉で説明すると小難しい感じがしますが要は【硬さ】を数値化したものです。

イメージとしては

  • ヤング係数Eが大きいひずみが小さい → 伸びにくい(硬い・剛い)

  • ヤング係数Eが小さいひずみが大きい → 伸びやすい(柔らかい)

※ここで言う「硬い」は【変形しにくい】という意味で、強度(壊れにくさ)とは別物なので注意です。


単位(非常に重要)

単位からどのような数値なのか思考するのはとても重要な作業です。

ε(イプシロンと読みます)は無次元なので、Eの単位は応力と同じになります。

  • N/mm²

  • kN/m²

注意(頻出)
N/mm²とN/m²は桁の計算ミスが出やすいです。
学科試験でも解答肢に桁違いで出題されることがあるので確実に計算出来るようにしておきましょう!


代表的なヤング係数E

ざっくり覚えるなら【鋼は大きい、コンクリートは小さい】です。

  • 鋼材:およそ 2.05×10⁵ N/mm²

  • コンクリート:およそ 2.0〜3.5×10⁴ N/mm²(強度や調合で変動)

注意:コンクリートは材料特性が一定ではありません。「鋼の1/10〜1/5くらい」とまずは覚えておきましょう。これも学科試験で問われます。


構造計算で出てくる

ヤング係数Eは「変形」に直結します。

以下は少し難しくなるので読み飛ばしても構いません。

1) 部材の引張・圧縮による伸び

長さL、断面積A、軸力Nの部材の伸び(縮み)λは

  • ヤング係数Eが大きいほど伸びが小さい

  • 断面積Aが大きいほど伸びが小さい

  • 長さLが大きいほど長いほど伸びやすい

どの数値を大きくしたら(小さくしたら)伸びる量λは増えるのか(減るのか)を思考しましょう。

2) はりのたわみ

たわみもヤング係数Eが関係します。

単純梁の最大たわみδは

δmax=PL^3/48EI

長さの3乗で効くのでたわみを小さくしたい場合は長さを短くするのが圧倒的に効果的です。

がヤング係数も関係します。

変形、硬さに関する場合はヤング係数です!


まとめ

  • ヤング係数Eは 【材料の硬さ】を表す定数

  • 線形弾性では (フックの法則)

  • 単位変換:N/mm²とN/m²の計算ミスに注意

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