二重構造と衝撃伝導の関係

質問

二重構造（多重構造）と衝撃メカニズムの関係についてお聞きします。

例えば
２種類のステンレスパイプを用意致します。
(1)内径13mm 外径19mm
(2)内側パイプ（内径13mm 外径17mm前後）と外側パイプ（内径17mm前後 外径19mm）を組み合わせた二重構造
※内側パイプの外径と、外側パイプの内径は完全に密着しているものとします。

上記の両パイプの内側に何か物質を入れ、衝撃を与えます。
どちらの方が内側の物質に衝撃を伝えにくいのでしょうか？
単体で肉厚な(1)か、二重構造かつ肉厚は(1)と同様の(2)か
それとも多重構造とはいえ、構造間に衝撃吸収材も何も入れていない密着状態のため(1),(2)に差は無いのか

多重構造、衝撃のメカニズムにお詳しい方ご教授お願い致します。

回答No.3

foomufoomu

まず、komaas88さんの回答のことは忘れてください。はっきり言って、あれこれごちゃごちゃになったな回答で、今回の話には合わない部分が多いです。

前回は数字で示しましたが、もっと簡単にいえば
●殻が硬いほうが内部を保護する効果が大きい。殻が硬いのは1層パイプの方である。●
ということです。

いちおう補足の訂正をかいておきますと、
ばね係数は、大きいほうが変形しにくい（硬い）という意味になります。したがって、
>(1)「6mmのほうがバネ係数は3倍大きい」→パイプの弾性変形量が３倍
→パイプの弾性変形量が1/√3倍　（衝撃力（エネルギー）なので、単純に3倍になりません）

>（パイプが塑性変形しにくい分、衝撃を内部に伝えやすい）
塑性変形の話は、今はしていません。塑性変形は形が元に戻らない変形で、衝撃というイメージでなくなります。

(2)「変形量xは2mm+4mmの方がが√3倍大きい」→内側パイプと外側パイプそれぞれ塑性変形のしやすさが√3倍
内側と外側のパイプが協力した時の弾性変形が√3倍　（「しやすさ」というと、単位がよくわからないので、何倍という言い方はあまりしません。）

＞(1)＝内部の物質に加わるダメージが大きい
ダメージが小さい

＞(2)＝パイプに加わるダメージが大きい（パイプが歪みやすい）
内部もパイプもダメージが大きい。

これが、間に緩衝材が入っているような場合は、話が違ってきます。叩くのでなく、音（振動）を加える場合もです。komaas88さんの回答は、これらが入り混じって、わけのわからない話になっています。

回答No.2

foomufoomu

まず、衝撃力は・・・エネルギーの式で計算できます。
衝突するもの（ハンマーなど）の運動エネルギー　E=1/2*m*v^2　(m:ハンマーの質量　v：衝突の速度）　と
衝突されるもの（パイプ）が弾性体であれば、その変形によるポテンシャルエネルギー　E=1/2*k*x^2 (k1:パイプのばね係数、x：衝突時の最大変形量）
が等しいとしてｘを求めて、　F1=k1*x　で求められます。
つぎに中のものにかかる力は、中の物のばね係数 k2 より F2=k2*x　になります。
（あと、パイプの質量による慣性力がありますが、これは小さいものとして無視します。また2つのケースでパイプの質量は同じなので考慮しても同じ結果だろうと思います。）

で、２つのケースで違うのは、パイプのばね係数k1だけです。
これは、板の厚さのおよそ3乗に比例します。(重ねた場合は２つの足し算になる）
よって6mm厚と4mm+2mmを比べると、
6^3=216
4^3+2^3=64+8=72
6mmのほうがｋは3倍大きいことになります。
したがって、変形量xは2+4mmが√3倍大きいことになり、受ける力も√3倍大きくなります。

補足

回答有り難うございます。
理解力が乏しく申し訳ありませんが、下記の解釈で間違いないでしょうか。

(1)「6mmのほうがバネ係数は3倍大きい」→パイプの弾性変形量が３倍（パイプが塑性変形しにくい分、衝撃を内部に伝えやすい）
(2)「変形量xは2mm+4mmの方がが√3倍大きい」→内側パイプと外側パイプそれぞれ塑性変形のしやすさが√3倍

〈結論〉
衝撃を加えた場合……
(1)＝内部の物質に加わるダメージが大きい
(2)＝パイプに加わるダメージが大きい（パイプが歪みやすい）

回答No.1

noname#194996

専門家ではありませんが
一般的に二重構造の方が衝撃力の減衰は大きいと思います。
２つの層の間が０であっても（ありえませんが）２つの物体がそれぞれ時間差をつけて衝撃を伝達していくので、２つの動きの間には必ず摩擦などによって効率１００％以下の伝達力の低減があると思います。一体のものならそれがなく、効率１００％での伝達が起こります。肉厚が倍であることからくる剛性の高さ、それによる衝撃力の受け方の低下がどのくらいなのかは衝撃の種類によると思いますが、たとえば音波なんかだったら確実に二重にしたほうが減衰度は高いと思います。
外圧、内圧からの強度、叩き潰す場合などの耐性強度は（これも叩き方などによるとは思いますが）一体の方が剛性などの関係で強いと思います（計算は可能だと思います）。