材料力学Ⅰ

科目基礎情報

学校 苫小牧工業高等専門学校 開講年度 令和06年度 (2024年度)
授業科目 材料力学Ⅰ
科目番号 0010 科目区分 専門 / 必修
授業形態 授業 単位の種別と単位数 履修単位: 2
開設学科 創造工学科(機械系共通科目) 対象学年 3
開設期 通年 週時間数 前期:2 後期:2
教科書/教材 台丸谷政志,小林秀敏著「基礎から学ぶ材料力学」(森北出版)/自作資料
担当教員 浅見 廣樹

到達目標

1) 応力,ひずみの定義と,フックの法則を式で表わすことができる.棒に荷重,熱が加わった場合の応力,ひずみ,変形の理論式を誘導し,計算できる.応力と材料の強度を比較し,安全率を考慮して部材の断面積を決定できる.
2) せん断,捩りモーメントに対するせん断応力,せん断ひずみの理論式を誘導し計算できる.要求される伝達トルク,材料強度,安全率から伝動軸に生ずるせん断応力と必要な直径を計算できる.
3) 車が通過する橋,荷を吊り上げるクレーン,揚力を受ける翼,荷重を伝える歯車などをはりにモデル化できる.はりに作用する荷重から求める曲げモーメントとはりの断面形状から求める断面二次モーメントから,曲げ応力の理論式を誘導し計算できる.
4) 基本的な梁のたわみ,たわみ角の式を「たわみの微分方程式」から導出できる.

ルーブリック

理想的な到達レベルの目安標準的な到達レベルの目安未到達レベルの目安
評価項目1 応力,ひずみの定義と,フックの法則を式で表わすことができるか.棒に荷重,熱が加わった場合の応力,ひずみ,変形の理論式を誘導し,計算できるか.応力と材料の強度を比較し,安全率を考慮して部材の断面積を決定できるか.フックの法則など引張応力とひずみに関連した様々な値の導出ができ,トラスなどより複雑な問題についても対応することができる.不静定問題において,応力や熱応力,変位が計算できる.フックの法則など引張応力とひずみに関連した値の計算方法を理解し,様々な値の導出に利用できる.不静定問題について条件式からの計算方法を理解している.フックの法則など引張応力とひずみに関連した値の計算方法を理解していない.不静定問題において力のつり合い式と変位の条件式がたてられない.
評価項目2 せん断,捩りモーメントに対するせん断応力,せん断ひずみの理論式を誘導し計算できるか.要求される伝達トルク,材料強度,安全率から伝動軸に生ずるせん断応力と必要な直径を計算できるか.せん断や棒の捩りという状況に関連した様々な値の導出・計算ができるほか,不静定問題などより複雑な状況についての問題も解くことができる.せん断や棒の捩りという状況に関連した様々な値の導出・計算ができる.せん断や棒の捩りという状況に関連した様々な値の導出ができない.
評価項目3 種々の実機をはりにモデル化できるか.はりに作用する荷重から求める曲げモーメントとはりの断面形状から求める断面二次モーメントから,曲げ応力の理論式を誘導し計算できるか.複数の荷重が作用するはりの曲げにおいてせん断力や曲げモーメントの式を求め,S.F.D.やB.M.D.が作成できる.各種断面の図心や断面二次モーメントが計算できる.曲げ応力の理論式を誘導し計算できる.単純なはりの曲げにおいてせん断力や曲げモーメントの式を求め,S.F.D.やB.M.D.が作成できる.各種断面の図心断面二次モーメントの計算方法を理解している.曲げ応力が計算できる.はりの曲げにおいてせん断力や曲げモーメントの式の求め方を理解していない.各種断面の図心断面二次モーメントの計算方法を理解していない.曲げ応力の計算ができない.
評価項目4 基本的な梁のたわみ,たわみ角の式を「たわみの微分方程式」から導出できるか.基本的な梁のたわみ,たわみ角の式を「たわみの微分方程式」から導出できる.基本的な梁のたわみ,たわみ角の式を「たわみの微分方程式」から導出できる.基本的な梁のたわみ,たわみ角の式を「たわみの微分方程式」から導出できない.

学科の到達目標項目との関係

 Ⅰ 人間性  1 Ⅰ 人間性
 Ⅱ 実践性  2 Ⅱ 実践性
 Ⅲ 国際性  3 Ⅲ 国際性
 CP2 各系の工学的専門基盤知識,および実験・実習および演習・実技を通してその知識を社会実装に応用・実践できる力  5 CP2 各系の工学的専門基盤知識,および実験・実習および演習・実技を通してその知識を社会実装に応用・実践できる力
 CP4 他者を理解・尊重し,協働できるコミュニケーション能力と人間力  7 CP4 他者を理解・尊重し,協働できるコミュニケーション能力と人間力

教育方法等

概要:
材料力学は,工学の基礎学問の一つであり,機械や構造物の設計において欠かせない学問である.材料力学Iでは,部材に対して引張・せん断・曲げという基本的な変形が働いた際に部材内部に働く応力や部材の変形量,またそこから逆算的に考えらえる部材寸法の算出の仕方を学ぶ.また,これらの中において,部材の力学的挙動を数式的に考えていく手法についても解説する.
授業の進め方・方法:
基本的には講義を中心に進めることになるが,可能な限り演習を多く取り入れ理解度の向上を目指す.また,講義にはPPt資料を用い,演習問題の解説以外の部分の資料についてはBbにおいて共有する.
基本的に授業毎に小テストを実施します.また,区切りのよい部分において達成度評価試験を実施します.
注意点:
式を覚えるだけでなくその理論を理解するようにしてください.2年生の「工業力学」や「物理」で修得した力学的知識を前提として話が進むため,それらの内容を復習しておく必要があります.
また,各授業内容が継続的な内容となるため,各回の授業内容についてしっかり復習することが必要です.
前後期とも,達成度確認試験の平均点を40%,定期試験の評価点を40%,授業毎の課題の平均点を20%として,100点法で評価する.
最終成績は,前期評価点と後期評価点の平均とし,合格点は60点とする.なお,状況により再評価のための再試験等を行うことがある.
再価に評おいては,再試験の点数を90%,課題評価点を10%として評価点を算出する.再評価において評価点が60点を超えた場合に,学年末評価点を60点とする.

授業の属性・履修上の区分

アクティブラーニング
ICT 利用
遠隔授業対応
実務経験のある教員による授業

授業計画

授業内容 週ごとの到達目標
前期
1stQ
1週 材料力学総説
応力とひずみⅠ
科目の概要について理解できる.
応力とひずみの定義を理解して計算できる.
フックの法則およびポアソン比について理解して計算することができる.
2週 応力とひずみⅡ 変形量の式について理解して利用することができる.
引張応力に関する様々な問題を解くことができる.
3週 応力とひずみⅢ 段付き棒の変形に関する問題を解くことができる.
複数の荷重が働く場合の軸力と,変形について計算することができる.
4週 応力とひずみⅣ
変断面を持つ棒の変形量を,微小部位の変形量の積分により計算できる.
自重の影響について理解できる.
5週 組合せ棒の応力とひずみ
トラスの節点変位を変位図から求めることができる.
6週 熱応力
不静定問題Ⅰ
熱応力の発生メカニズムを理解して,説明でき,問題を解くことができる.
不静定問題について理解することができる.
7週 不静定問題Ⅱ 不静定問題について理解して,説明でき,問題を解くことができる.
8週 不静定問題Ⅲ
安全率
不静定問題について理解して,説明でき,問題を解くことができる.
安全率と許容応力の概念を理解でき,安全率を考慮した問題を解くことができる.
2ndQ
9週 達成度確認試験Ⅰ 引張応力とひずみについて理解し,これに関連したトラスや熱応力に関する静定・不静定問題を解くことができる.
10週 せん断応力とせん断ひずみ
剪断応力と剪断ひずみの定義を理解し,計算することができる.
体積弾性率,縦弾性係数,横弾性係数の関係について理解できる.
11週 せん断応力とせん断ひずみⅡ
丸棒の捩りⅡ
丸棒の捩りによって生じる剪断応力について理解でき,計算することができる.
断面二次極モーメントについて理解し,これを用いて剪断変形に伴う剪断応力や捩り角を計算することができる.
12週 丸棒の捩りⅢ 伝動軸についての考え方を理解することができる.不静定引張圧縮部材との類似性を理解できる.
13週 丸棒の捩りⅣ 剪断変形と捩り変形に伴う応力とひずみについて理解し,これに関連した静定・不静定問題を解くことができる.
14週 達成度評価試験Ⅱ 剪断変形と捩り変形に伴う応力とひずみについて理解し,これに関連した静定・不静定問題を解くことができる.
15週 はりの剪断力と曲げモーメントⅠ はりの種類について理解できる.
片持ち梁の剪断力と曲げモーメントの求め方を理解でき,SFDとBMDを描くことができる.
16週 前期定期試験 これまでの内容について総合的に理解し計算できる.
後期
3rdQ
1週 はりの剪断力と曲げモーメントⅡ 片持ち梁の剪断力と曲げモーメントの求め方を理解でき,SFDとBMDを描くことができる.
2週 はりのせん断力と曲げモーメントⅢ 集中曲げモーメントについて理解でき,SFDとBMDを描くことができる.
両端支持梁の剪断力と曲げモーメントの求め方を理解でき,SFDとBMDを描くことができる.
3週 はりのせん断力と曲げモーメントⅣ 両端支持梁の剪断力と曲げモーメントの求め方を理解でき,SFDとBMDを描くことができる.
不等分布荷重による剪断力および曲げモーメントの求め方を理解でき,SFDとBMDを描くことができる.
4週 はりのせん断力と曲げモーメントⅣ 不等分布荷重による剪断力および曲げモーメントの求め方を理解でき,SFDとBMDを描くことができる.
突出し梁の剪断力と曲げモーメントの求め方を理解でき,SFDとBMDを描くことができる.
5週 はりのせん断力と曲げモーメントV 不等分布荷重による剪断力および曲げモーメントの求め方を理解でき,SFDとBMDを描くことができる.
突出し梁の剪断力と曲げモーメントの求め方を理解でき,SFDとBMDを描くことができる.
6週 達成度試験 梁の剪断力と曲げモーメントの算出法について理解し,これらを求める問題を解くことができる.
7週 はりの曲げ応力Ⅰ 基本形状の断面二次モーメントの導出方法について理解できる.
断面二次モーメントを求め,梁に生じる曲げ応力を計算することができる.
8週 はりの曲げ応力Ⅱ 断面二次モーメントを求め,梁に生じる曲げ応力を計算することができる.
様々な断面形状の断面二次モーメントの求め方について理解でき,計算することができる.
4thQ
9週 はりの曲げ応力Ⅲ 様々な断面形状の断面二次モーメントの求め方について理解でき,計算することができる.
様々な断面形状の梁について,曲げにより生じる最大引張応力と最大圧縮応力を求めることができる.
10週 はりの曲げ応力Ⅳ 様々な断面形状の断面二次モーメントの求め方について理解でき,計算することができる.
様々な断面形状の梁について,曲げにより生じる最大引張応力と最大圧縮応力を求めることができる.
11週 達成度試験 様々な負荷を受ける梁について,SFDとBMDを求め,断面二次モーメントを算出の上で曲げ応力を求めることができる.
また,これに関連した問題を解くことができる.
12週 梁の剪断応力 各値を座標xの関数として表したとき,微分積分の関係が成り立つことを理解できる.
梁に働く剪断応力について理解でき,最大剪断応力を計算することができる.
13週 梁の剪断応力
平等強さの梁
梁に働く剪断応力について理解でき,最大剪断応力を計算することができる.
平等強さの梁という概念と,それを実現するための各種寸法の変化のさせ方が分かる.
14週 梁のたわみⅠ 片持ち梁に生じるはりのたわみ角とたわみ曲線について理解でき,求めることができる.
15週 梁のたわみⅡ 片持ち梁に生じるはりのたわみ角とたわみ曲線について理解でき,求めることができる.
16週 後期定期試験 これまでの内容について総合的に理解し計算できる.

モデルコアカリキュラムの学習内容と到達目標

分類分野学習内容学習内容の到達目標到達レベル授業週
専門的能力分野別の専門工学機械系分野力学力は、大きさ、向き、作用する点によって表されることを理解し、適用できる。4前1
荷重が作用した時の材料の変形を説明できる。4前1
応力とひずみを説明できる。4前2
フックの法則を理解し、弾性係数を説明できる。4前3,前4
許容応力と安全率を説明できる。4前8
両端固定棒や組合せ棒などの不静定問題について、応力を計算できる。4前7
線膨張係数の意味を理解し、熱応力を計算できる。4前6
引張荷重や圧縮荷重が作用する棒の応力や変形を計算できる。4前4
ねじりを受ける丸棒のせん断ひずみとせん断応力を計算できる。4前9
丸棒および中空丸棒について、断面二次極モーメントと極断面係数を計算できる。4前12,前13
軸のねじり剛性の意味を理解し、軸のねじれ角を計算できる。4前14
はりの定義や種類、はりに加わる荷重の種類を説明できる。4後1,後16
はりに作用する力のつりあい、せん断力および曲げモーメントを計算できる。4後2,後5,後7
各種の荷重が作用するはりのせん断力線図と曲げモーメント線図を作成できる。4後3,後6,後8
曲げモーメントによって生じる曲げ応力およびその分布を計算できる。4後4,後11,後13
各種断面の図心、断面二次モーメントおよび断面係数を理解し、曲げの問題に適用できる。4後14,後15

評価割合

定期試験達成度評価試験課題合計
総合評価割合404020100
基礎的能力1010525
専門的能力30301575
分野横断的能力0000