例題集

ひずみエネルギー(1)

適用レベル   難易度: ★★★
図のように,中心軸に関する慣性モーメント$I$のはずみ車をもつ中実丸棒(直径$d=2r$,横弾性係数$G$)があり,回転数$n \rm{rpm}$で回転している. 次の各問に答えよ. %=image:/media/2015/01/15/142125521522780400.png: $(1)$ はずみ車の回転運動エネルギー$U$を答えよ. $(2)$ 今,軸受$\rm{A}$に異常が生じて,突然停止した. このとき発生したねじりモーメントを$T$,軸の断面二次極モーメントを$I_{\textrm{p}}$として,中実丸棒の最外表面に生じるせん断応力$\tau_{max}$を記号で答えよ. $(3)$ $(2)$のとき,ねじりによるひずみエネルギー$U$を答えよ. $(4)$ ねじりによるひずみエネルギー$U$を,$\tau$を含んだ形で表現せよ. $(5)$ 衝撃ねじりによる応力$\tau_{max}$を求めよ. \end{enumerate} %
$(1)$ \[ U=\frac{1}{2}Iw^2=\frac{1}{2}I\left(\frac{\pi n}{30}\right)^2 \] $(2)$ \[ \tau_{max}=\frac{T}{I_p}r \] $(3)$ \[ U=\frac{T^2}{2GI_p}l \] $(4)$ \[ U=\frac{T^2}{2GI_p}l=\frac{\tau^2I_pl}{2Gr^2}=\frac{\tau^2\pi r^4l}{4Gr^2}=\frac{\pi r^2\tau^2l}{4G} \] $(5)$ \[(1)=(4)より\\ \frac{\pi r^2\tau^2l}{4G}=\frac{1}{2}I\left(\frac{\pi n}{30}\right)^2\\ \tau^2=\frac{2G}{r^2l}\left(\frac{\pi n}{30}\right)^2\pi I \] \[ \therefore\tau=\frac{n}{30r}\sqrt{\frac{2\pi GI}{l}} \]