ヤング率

熱応力は、温度変化によって物体が膨張したり収縮したりする際に、その変形が拘束されることで内部に生じる力です。温度が変化すると、物質を構成する原子や分子の運動が活発になったり緩やかになったりすることで、物体全体の体積が変化します。温度が上昇すると、一般的には物体は膨張しようとします。例えば、金属の棒を加熱すると、棒を構成する金属原子の熱運動が活発になり、原子間の距離が広がろうとします。この結果、棒全体が伸びようとします。もし、この棒の両端を固定している場合、棒は自由に伸びることができず、内部に圧縮される力が発生します。これが熱応力です。逆に、温度が下がると、物体は収縮しようとします。金属の棒を冷却すると、金属原子の熱運動が緩やかになり、原子間の距離が縮まろうとします。この結果、棒全体が縮もうとします。もし、この棒の両端を固定している場合、棒は自由に縮むことができず、内部に引っ張られる力が発生します。これもまた熱応力です。温度変化が急激なほど、発生する熱応力は大きくなります。急激な温度変化は、物体の内部で温度差を生み出し、部分的に異なる膨張率や収縮率を引き起こします。この不均一な変形が、大きな熱応力を生む原因となります。また、物質の種類によっても膨張や収縮の度合いは異なり、この度合いが大きい物質ほど、発生する熱応力は大きくなります。熱応力は、橋や建物などの大きな構造物から、電子部品のような小さな部品まで、あらゆる物体に影響を及ぼします。特に、温度変化の激しい環境で使用される機器や部品は、熱応力によるひび割れや破損が発生しやすいため、設計段階で材料の選択や形状の工夫など、熱応力を適切に管理するための対策を講じる必要があります。