小さいほど強くなる？　小さいものの力学

小さいほど相対的に強くなる「寸法効果」

アルミニウムなどの金属材料を変形させたときの力学応答は、その材料の大きさによって異なります。一般に、20μm程度以下（1μmは1000分の1mm）のスケールでは、材料のサイズが小さいほど相対的な強度が上がります。これを「寸法効果」と呼びます。実験の難しさなどから、小さいものの力学は完全には解明されていません。近年は電子機器が小型化し、スマートフォンのカメラや内視鏡などに代表される微小機械の需要が増えているため、小さいサイズにおける材料の特性を知ることが必要とされています。

数式を立てコンピュータでシミュレーション

小さいスケールにおける材料の変形などをコンピュータでシミュレーションするためには、変形する様子や現象を物理法則にのっとって数式化しなければなりません。数式を立てることができれば、それをコンピュータのプログラムに書き下して、小さいスケールでの力学をコンピュータで解くことができます。こうして作り上げた理論を、実験物理学の研究者による実験結果や文献と照合します。これまでの研究で、均等に変形（一様変形）している場合よりも、曲げるなど一様でない変形のほうが、材料の大きさの影響を大きく受けることがわかっています。

小さいものの力学についての理論確立を

金属材料の変形などをコンピュータでシミュレーションする目的は、実験や試作を減らし、製品開発の効率を上げることにあります。例えば自動車に関しては力学理論がほぼ確立しているので、開発時の衝突実験などはほとんどコンピュータでシミュレーションし、実際に自動車を作って確認するのは最終段階だけです。しかし小さなものの分野では、自動車などの大きなものの分野ほどは特性がわかっておらず、理論の確立が必要です。また最近では、過去に正しいと考えられた小さいものについての理論に反するような実験結果が出てきているので、もう一度基本に立ち返って、統一的な理論を組み直すことも求められています。

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山形大学工学部機械システム工学科教授黒田充紀先生

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材料工学、計算力学、材料力学

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メッセージ

高校では5教科7科目を勉強するので非常に大変と感じている人が多いと思います。それに対して大学進学後の勉強では、専攻する（興味のある）分野を絞ってより深く掘り下げます。しかし、工学系で仕事をする場合に、工学の専門知識のみで良い仕事ができるわけではありません。高校などで学んだ幅広い知識が大事になってきます。どの分野の勉強でも無駄になるものは一つもありません。高校時代は、自分の好きな科目（分野）を見つけてそれを伸ばすと同時に、理系・文系という区分にこだわらず、幅広く勉強することが大切です。

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