例題集

ねじり(1)

知識・記憶レベル   難易度:
図に示すように全長が$l$(エル),両端での直径が$d_{1}$,$d_{2}$であるテーパ付丸軸がねじりモーメント$T$を受けるとき,生じるねじれ角$\phi$を求めたい. %=image:/media/2015/01/22/142192664302348200.png: $(1)$ 左端から$x$の位置における微小要素(長さ$d_{x}$)を考える.この微小要素の直径$d_{x}$を表現せよ. $(2)$ この微小要素のねじれ角$d\phi$を,横弾性係数$G$,トルク$T$,直径$d_{x}$等を用いて表現せよ. $(3)$ 棒全体のねじれ角$\phi$は,$d\phi$を全長にわたって積分すれば良い.積分して答えを導出せよ.
$(1)$ \begin{align} dx=d_1+\frac{d_2-d_1}{l}x\\ \end{align} $(2)$ \begin{align} d\phi&=\frac{Tdx}{GI_p}\\ &=\frac{32Tdx}{G\pi dx^4}\\ &=\frac{32T}{G\pi}\left(d_1+\frac{d_2-d_1}{l}x\right)^{-4}dx \end{align} $(3)$ \begin{align} \phi&=\int_0^ld\phi\\ &=\frac{32T}{G\pi}\int_0^l\left(d_1+\frac{d_2-d_1}{l}x\right)^{-4}dx\\ &=\frac{32T}{G\pi}\left[-\frac{l}{3\left(d_2-d_1\right)}\left(d_1+\frac{d_2-d_1}{l}x\right)^{-3}\right]_0^l\\ &=\frac{32T}{G\pi}\frac{l\left({d_2}^3-{d_1}^3\right)}{3{d_2}^3{d_1}^3\left(d_2-d_1\right)} \end{align}