線膨張係数の異なる物体の熱応力の解説

熱応力とは、物体が温度変化によって膨張または収縮することによって生じる内部の力です。特に、異なる線膨張係数を持つ物体が接触していない状態でも、圧縮や引張の内力が働く現象について説明します。これは一見直感的には理解しにくいかもしれませんが、物理的な背景を理解することで納得できるようになります。

1. 線膨張係数とは

線膨張係数は、物体の長さが温度変化によってどれだけ変化するかを示す指標です。異なる物質が異なる膨張率を持つため、温度変化に対してそれぞれ異なる反応を示します。

2. 2物体の熱膨張とその相互作用

異なる線膨張係数を持つ物体が接触している場合、温度変化によってそれぞれの物体は膨張または収縮しますが、物体同士が物理的に接触していなくても、相互に引きずるような効果が現れます。この現象は、両者が一体となって動こうとするため、片方の物体が膨張しようとすると、もう片方がそれに引っ張られて膨張を抑制することになります。

3. 圧縮と引張の内力

温度が上昇することで、膨張しようとする物体には圧縮の内力がかかり、逆に膨張を抑制される物体には引張の内力がかかります。この関係が、温度上昇時に物体同士が引きずり合っている原因です。

4. 接触していない場合でも働く引きずり合いの力

物体同士が直接接触していない場合でも、熱膨張の差によって生じる内力は伝わり合います。物体間に隙間があっても、膨張の方向に対する制約が働き、物体はそれぞれの膨張を抑制したり引き起こしたりするため、引きずり合う力が作用します。

5. まとめ

異なる線膨張係数を持つ物体が温度変化を受けた場合、物体同士が直接接触していない状態でも、それぞれに圧縮や引張の内力がかかる現象が発生します。これは、両物体が互いに膨張を抑制したり引き起こすことで、相互に引きずるような力が働くためです。