荷重と応力の違い
荷重測定の現場では、同じ「力」を扱っていても、荷重（外から加える力）と応力（材料内部に生じる力）が存在し、混同してしまうケースが少なくありません。言葉は聞いたことがあっても、違いを正しく理解している方は意外と少ないのではないでしょうか。荷重と応力を正しく理解することで、より精度の高い測定や安全性の確保、品質の向上につながります。ここでは荷重と応力の違いを単位や具体例なども交えて解説していきます。
荷重とは何か｜荷重の種類と特徴
荷重とは、物体や部材に外部から作用する力です。材料試験では、試験機が試験片に加える引張・圧縮などの力を指すことが多く、単位はN（ニュートン）で表します。荷重には次のような種類があります。
- 引張荷重…材料を引き伸ばす力
- 圧縮荷重…材料を押しつぶす力
- 曲げ荷重…材料に外部から力が加わったとき、その物体を曲げようとする力
- せん断荷重…材料の面に対して平行に内部を滑らせようとする力
- 剥離力…接着剤・テープ・塗膜などを引き剥がすために必要な力
- 摩擦力…物が動こうとするのを邪魔する力
例：引張強度試験
試験片を引っ張り、荷重と物性変化を測定します。この荷重データが、後の応力計算の基礎になります。
応力とは何か｜応力の種類と特徴
応力とは、荷重を受けた材料内部に生じる「単位面積あたりの内力」です。
材料内部に生じる内力を面積で割った量が応力です。応力には次のような種類があります。
- 引張応力…材料が引っ張られたとき、内部に生じる応力
- 圧縮応力…材料が押しつぶされるとき、内部に生じる応力
- 曲げ応力…曲げ荷重を受けたとき、断面内部に発生する応力
- せん断応力…材料内部の面が平行にずれようとするとき、生じる応力
- ねじり応力…材料をねじることによって生じる応力
測定の現場では、応力は「荷重を断面積で割って求める計算値」です。
つまり応力は「材料がどれだけ耐えられるか」を示す指標であり、強度評価の中心となります。
荷重と応力の違い｜外力と内力の関係
測定機器を使用した場合、荷重と応力の違いは下記の通りです。
- 荷重（外力）＝ 測定機器が材料に加える力
- 応力（内力を面積で割った量）＝ 荷重によって生じる材料内部での力の集中度
同じ荷重でも、材料の断面積が違えば応力は大きく変わります。例えば、
- 細いワイヤーに100Nをかける → 応力は大きい → 壊れやすい
- 太いワイヤーに100Nをかける → 応力は小さい → 壊れにくい
この違いを理解していないと、試験結果の解釈を誤り、「荷重が大きい＝強い材料」といった誤解が生まれます。荷重と応力の違いは測定の基礎であり、現場の安全と品質を守るために必要な知識といえます。
荷重と応力を扱うための基本単位
荷重と応力はどちらも「力」に関係する概念ですが、扱う単位が異なるため、単位の理解が欠かせません。ここでは、材料試験・設計・図面で登場する N（ニュートン）・N/mm²・MPa の意味と関係を整理し、実務で迷わないための基礎を解説します。
N（ニュートン）＝力の単位
N（ニュートン）は、国際単位系（SI）で定められた力の基本単位です。
と物理で定義されていますが、ピンと来ませんよね？
分かりやすく言えば、1 N は約 100 gの物体を持ち上げるときに必要な力に相当し、1 kgの物体に約 10 N（1 kg =約9.8N）の重力が働いていると考えると理解しやすくなります。イマダ取扱製品が測定する値がこの N（荷重） になります。
| 単位 | 読み方 | 何を表すもの？ |
|---|---|---|
| N | ニュートン | 力（荷重） |
| N/mm² | ニュートン毎平方ミリメートル | 応力 |
| MPa | メガパスカル | 応力（1 MPa = 1 N/mm²） |
応力の単位 N/mm² と MPa の関係（1MPa = 1N/mm²）
N/mm² を 国際単位系（SI）に換算すると、そのまま MPa（メガパスカル）と一致します。
1 MPa は 1,000,000 Pa（パスカル）で、1 Pa = 1 N/m² という定義に基づき、 面積を mm² に換算すると 1 MPa = 1 N/mm² になります。
つまり N/mm² と MPa はまったく同じ大きさで、表記が違うだけです。（例：20 N/mm² = 20 MPa）
日本（JIS）と海外（ASTM・ISO）の単位表記の違い
材料試験の規格では、国や団体によって使用される単位表記が異なります。
| 区分 | 規格上の主表記（SI） | 実務で良く使われる表記 | 理由・背景 |
|---|---|---|---|
| JIS（日本） | MPa | N/mm² も広く使用 | JIS規格ではMPa表記が主に用いられるが、日本の図面や現場ではmm単位の寸法系と相性がよく、N/mm²表記が現在も多く使われている |
| ISO（国際） | MPa | MPa | SI単位系（国際単位系）に準拠しており、応力はMPaで統一されている |
| ASTM（米国） | MPa（SI版） / psi・ksi（inch-pound版） | psi / ksi が主流（分野による） | ASTMではSI単位系とヤードポンド法が併存しており、米国の実務ではpsi・ksiが現在も広く使われている |
荷重と応力の計算方法と具体例
荷重と応力は、材料試験・構造設計・品質管理など、あらゆる工学分野で欠かせない基本概念です。ここでは応力の計算式から、MPa・N/mm²を使った具体的な計算例、さらに引張試験・圧縮試験での実務的な算出方法まで、順を追って解説します。
基本式（応力＝荷重 ÷ 断面積）
応力（σ）は、材料内部に生じる「単位面積あたりの力」です。最も基本となる式は次の通りです。
荷重が大きいほど応力は大きくなり、断面積が大きいほど応力は小さくなります。
MPaで表す場合の計算例
●例：直径10 mmの丸棒に5000 Nの引張荷重が作用した場合（半径 r、直径 d）
① まず断面積を求める（円の面積）
A ＝ πr² ＝ 3.14 × 5 × 5 ＝ 78.5 mm²
※直径で表す場合は A = πd² / 4 でも同じ結果になります
②引張応力を計算
σ ＝ 5000 ÷ 78.5 → σ ＝ 約 63.7 MPa（=63.7N/ mm²）
→ 引張応力は約 63.7 MPa（＝63.7 N/mm²）
N/mm²で表す場合の計算例
●例：幅 20 mm × 厚さ 5 mm の平板に1000 Nの荷重が作用
A ＝ 20 × 5 ＝ 100 mm² → σ ＝ 1000 ÷ 100 σ ＝ 10 N/mm²
→ 応力は10 N/mm²（＝10 MPa）
引張強度試験での計算例
●例：試験片（断面積 50 mm²）で荷重2500Nのとき
引張応力 ＝ 2500 ÷ 50 ＝ 50 MPa（50 N/mm²）
→ 引張応力は50 MPa（50 N/mm²）
圧縮強度試験での計算例
圧縮試験では、押しつぶす方向の荷重を加え、荷重から「圧縮応力」を求めます。
圧縮試験でも基本的な考え方は「荷重 ÷ 断面積」ですが、評価する特性値は材料や規格によって、圧縮強さ・圧縮降伏点・耐力など異なります。
●例：50 mm × 50 mm（断面積 2500 mm²）の立方体試験片で荷重 5000 Nのとき
圧縮応力 ＝ 5000 ÷ 2500 ＝ 2 MPa（2 N/mm²）
→ 圧縮応力は2 MPa（2 N/mm²）
まとめ
- 応力は「荷重 ÷ 断面積」で求める
- MPa と N/mm² は同じ単位
- 丸棒は「円の面積」、平板は「幅×厚さ」で断面積を求める
- 引張試験・圧縮試験ともに「荷重 ÷ 元断面積」が基本 ※1
※1. 補足：「元断面積」とは、試験を始める前の断面積（初期断面積）のことです。引張試験では変形により断面が細くなり、圧縮試験では押しつぶされて断面が広がりますが、強度（MPa）は材料固有の値として扱うため、いずれも変形前の断面積を用いて計算します。
荷重と応力の単位換算
荷重（N）と応力（N/mm²・MPa）は、材料試験や設計で頻繁に行き来する単位です。 ここでは、実務で迷いやすい換算をわかりやすく整理します。
N → N/mm² の換算（荷重から応力を求める）
基本式（応力＝荷重 ÷ 断面積）で記載したように荷重（N）から応力を求めるには、荷重を断面積で割ることで求められます。
● 例：荷重 5000 N を断面積 25 mm² に加えた場合 → 5000 ÷ 25 = 200 N/mm²
● 実務ポイント
- 試験片の太さ（断面積）が違うと応力は大きく変わる
- 荷重だけでは材料の強さを比較できない
- 応力に換算することで、材料固有の強度が比較できる
N/mm² → MPa の換算（表記の変換）
これは非常にシンプルで、換算不要です。
● 理由：1 MPa = 1 N/mm²（単位の表記が違うだけで、数値は完全に同じ）
● 例：250 N/mm² = 250 MPa、500 N/mm² = 500 MPa
● 実務ポイント
- 海外メーカーのデータは MPa が多い
- 日本は N/mm²
- 数値は同じなので読み替えるだけでOK
MPa → N の換算（どれくらいの荷重に相当するか）
応力（MPa）から荷重（N）を求めるには、断面積を掛けるだけです。
● 計算式
● 例：材料強度 500 MPa の材料に、断面積 30 mm² の部材を使う場合
→ 荷重は500 × 30 = 15000 N（15 kN）
● 実務ポイント
- 設計では「この材料は何 Nまで耐えるか？」を逆算する
- 構造物の強度評価などで活用される
- 応力 → 荷重の換算は安全率の設定にも直結する
よくある質問（FAQ）
まとめ
荷重と応力は、材料試験・設計・品質管理のすべてに関わる基礎概念です。荷重と応力の違いを理解することは、測定の現場だけでなく、設計・製造・品質保証にも役立つ「基礎力」と言えるのではないでしょうか。
Force Channelでは、今後も引き続き「力の測定」をテーマに、情報発信を行っていきます。今回の記事をきっかけに力の測定に興味を持たれた方は、ぜひ他の記事もあわせてご覧ください。
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