材料の強さ

1 回なら平気な力でも、何万回もくり返すと小さな亀裂が生まれ、少しずつ広がって壊れることがあります。これを金属の疲労と呼びます。直径 60 cm のタイヤは、1 km で約 530 回転します。10 万 km 走ると、軸には約 5,300 万回も力がくり返しかかります。

疲労の怖さを世界に知らせたのが、イギリスの旅客機コメットです。1952 年 5 月、世界初のジェット旅客機として営業運航を始めました。ところが 1954 年 1 月と 4 月、飛行中の機体が地中海で空中分解する事故が続き、全機が飛行を止めました。

調査チームは、別のコメットの胴体を大きな水槽に沈め、飛行のたびに機内にかかる圧力を水圧でくり返し再現しました。それまでの飛行と合わせて約 3,000 回分の加圧で、角ばった窓の角から胴体が裂けました。角に、予想よりはるかに大きな応力が集中していたのです。

いまの旅客機の窓の角が丸いのも、力を角に集中させないための形です。事故の原因を突き止め、次の設計に生かすことも、この分野の大切な仕事です。

鉄は強くて安く、アルミニウムは軽くてさびにくく、炭素繊維を樹脂で固めた材料(CFRP)は軽くて強い。機械材料の授業では、金属の中の結晶の並び方や、熱処理で硬さが変わるしくみまで学び、用途に合う材料を選べるようにします。

材料の強さは、実際に引っ張って確かめます。多くの大学の機械工学実験では、試験機で金属の棒を引っ張り、力と伸びを記録しながら、切れるまでを観察します。1908 年に神戸の造船所に置かれたバックトン万能試験機は、日本の材料強度試験の原点を示すとされます。現存する最も古いバックトン試験機で、機械遺産(第 20 号)に認定されています。

いまは、部品をコンピュータの中で細かい要素に分け、どこにどれだけ応力がかかるかを計算する有限要素法が欠かせません。こうした計算(CAE)で、試作の前に弱い所を色分けで見つけ、形を直してから作ります。