圧縮と張力

物理学で議論される概念に「引張」と「圧縮」がある。テンションは力、コンプレッションは現象です。この2つの概念は、機械システム、自動車工学、熱機械、材料科学、振り子など様々な分野で重要な役割を担っています。この分野で活躍するためには、張力と圧縮に関する正しい理解が不可欠です。今回は、コンプレッションとストレッチとは何か、その定義、コンプレッションとストレッチの応用、コンプレッションとストレッチの類似点、最後にコンプレッションとストレッチの違いについて説明します。

テンション

張力とは、ケーブルや細いロープ、チェーンなどが発揮する引っ張る力のことです。文字列には2種類あります。無重量弦とは、重さのない架空の弦のことです。実数文字列とは、有限の重さを持つ文字列のことです。この2つの定義は、テンションを説明する上で重要です。糸で物体を引っ張ると、糸の各点に張力が発生する。これは、分子間の引力によるものです。分子間の結合が小さなバネのような役割を果たし、2つの分子が分離するのを防いでいるのです。この結合は、力で弦を伸ばそうとしても、変形しにくい。これにより、チューブの柱全体にバランスの取れた一連の力が生まれます。弦の両端だけがアンバランスな力を持っています。初期力が作用する両端のアンバランスな力は、初期力と釣り合う。物体の端にあるアンバランスな力が物体に作用する。この意味で、張力は力の伝搬方法と見ることができる。文字列に重さがある場合、文字列は水平にならないため、文字列の重さを計算に加える必要があります。

圧縮

圧縮とは、気体、液体、固体が外力によって体積を減少させることである。圧縮率そのものは明確に定義された量ではありません。体積の減少として考えることもできますし、体積の減少の割合として考えることもできます。圧縮の定量的な指標としては、固体のヤング率や気体の圧縮係数がある。ヤング率とは、物体にかかる圧力（応力）と、その物体にかかるひずみの比のことである。ひずみは無次元なので、ヤング率の単位は圧力の単位、すなわち1平方メートルあたりのニュートンに等しい。気体の場合、圧縮係数はPV/RTと定義され、Pは圧力、Vは測定体積、Rは普遍気体定数、Tはケルビン温度である。