力学において、中立面または中立表面とは、梁または片持ち梁内の概念的な面です。曲げ力が加わると、梁は内側の表面が圧縮され、外側の表面が引張られるように曲がります。中立面とは、梁内のこれらの領域間の表面であり、梁の材料は圧縮または引張のいずれの応力も受けません。 [1]
中立面には長さ方向の応力が作用しないため、ひずみや伸びも発生しません。梁が曲がっても、中立面の長さは一定のままです。中立面内で梁の軸に平行な線は、梁の たわみ曲線と呼ばれます。
すべての梁は中立面を持たなければならないことを示すために、梁の材料はその長さに平行な細い繊維に分割されていると想像することができます。梁が曲げられると、任意の断面において、凹側に近い繊維領域は圧縮され、凸側に近い領域は張力を受けます。材料の応力はどの断面でも連続していなければならないため、圧縮領域と張力領域の間には繊維に応力がかからない境界が存在する必要があります。これが中立面です。 [1]
構造設計
中立面の位置は、モノコック構造や圧力容器において重要な要素となる場合があります。構造が強度リブで支えられた膜である場合、中立面に沿って外板を配置することで、圧縮力または張力のいずれかの力が外板にかかるのを回避できます。外板がすでに外圧を受けている場合、これにより外板にかかる力の総量が減少します
潜水艦の設計において、これは微妙ではあるものの重要な問題でした。第二次世界大戦中のアメリカ艦隊の潜水艦は船体断面が完全に円形ではなかったため、節円が中立面から離れ、追加の応力が発生しました。元の設計は内部フレームでしたが、リブ寸法の許容寸法を得るために試行錯誤による設計の改良が必要でした。ポーツマス海軍造船所の設計者アンドリュー・I・マッキーは改良設計を開発しました。フレームを船体の内側と外側に部分的に配置することで、中立軸を再び節円と一致するように再配置することができました。これにより、フレームに曲げモーメントが加わらず、より軽量で効率的な構造が可能になりました。[2]
計量
荷重下でも長さが一定に保たれるという特性は、長さの計測において利用されてきました。長さ測定の物理的標準として金属棒が開発された際、中立面に沿って測定された長さに印を付けることで校正されました。これにより、棒が自重でたわむことによるわずかな長さの変化を回避できました。
この技術を用いた最初の長さ標準は、長方形断面の固体棒でした。両端に中立面の深さまで止まり穴が開けられ、この深さに校正印が付けられました。これは不便でした。2つの印の間を直接測定することは不可能で、井戸に沿ってオフセットトラメルを使用して測定するしかありませんでした
1870年の国際メートル原器では、より便利な方法が使用されました。これは、 1889年から1960年までメートルの定義として使用された白金イリジウム合金の棒で、 CGPMが クリプトン標準に基づいてメートルを再定義した際に使用されました。この棒は、トレスカ断面と呼ばれる広がった断面で作られており、接続棒を備えたX字型、または側面が斜めに曲がったH字型に似ています。Hの中央の横棒の1つの面は中立面と一致するように設計され、メートルを定義する目盛りがこの面に刻まれました。[4]
参照
参考文献
- ^ ab Wylie, C. Ray (1975). Advanced Engineering Mathematics, 4th Ed. New York: McGraw-Hill. pp. 67. ISBN 0070721807.
- ^ Alden, John D., 司令官（元海軍）(1979). The Fleet Submarine in the US Navy: A Design and Construction History . London: Arms and Armour Press. 215, 217ページ. ISBN 0-85368-203-8.
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) - ^ "Bronze Yard Nº 11". museum.nist.gov . 米国国立標準技術研究所. 2012年2月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年3月27日閲覧
- ^ LW Nickols (1966). 「長さの測定」.エンジニアリング・ヘリテージ. 第2巻. ロンドン: Heinemann. 2ページ.
