押す？ それとも伸ばす？

構造のすべての部分は、隣り合う部分から押されたり引っ張られたりしています。技術者は、こうした内部の力をいくつかの種類に分けます：

• 圧縮： 材料が押しつぶされる状態です。屋根の下の柱や、手の下に積まれた本のようなものです。
• 引張： 材料が引き伸ばされる状態です。ランプを支えるロープ、橋のケーブル、伸ばされた輪ゴムのようなものです。
• せん断： はさみで紙を切るときのように、材料の層同士が互いにすべるように動こうとする状態です。
• 曲げ： 梁がたわむことで、上端は押しつぶされ、下端は引き伸ばされます。

力だけでは、その部分が壊れずに耐えられるかどうかはわかりません。重要なのは、その力を支える面積にどれだけ力が散らばっているかです。これが応力です：stress = force ÷ area。応力はパスカル（Pa）、またはメガパスカル（MPa、数百万パスカル）で測定します。断面積100 mm²の棒から1 kNの負荷（質量100 kgの物体の重量ほど）が吊り下がっている場合、1 000 N ÷ 0.0001 m² = 10 MPaとなります。

材料は、2つの役割のどちらにも同じように向いているわけではありません。石、れんが、コンクリートは圧縮には強く、引張には弱い材料です。大まかな目安として、引張強度は圧縮強度の10分の1ほどで、それより小さいこともよくあります。石の梁を引っ張ると、同じ大きさの石のブロックを押しつぶす場合よりずっと早くひびが入ります。鋼とロープは正反対の性質を持つ仲間です。鋼は圧縮にも引張にも強く、ロープやケーブルは引張にはとても強い一方、圧縮にはまったく役立ちません。押すとロープはただたるんでしまうからです。

もう1つ注意点があります。押し縮められた細長い部材は、最初に押しつぶされるのではなく、座屈します。両端から定規を押したときのように、横にたわむのです。だから石の柱は太く、鋼の圧縮部材は細い棒ではなく、筒やせいの高い断面で作られます。

設計者への教訓は、構造の形によって、どの内部の力を使うかが決まるということです。引張に弱い材料が圧縮しか受けないように、形を選べることがよくあります。それがまさにアーチの働きです。そして、強い引張材料があるなら、ケーブルはすき間をまたいで荷重を支える最も軽い方法です。