材料選擇與設計

以鋼(E = 210 GPa,ρ = 7.8 g/cm³)與鋁合金(E = 70 GPa,ρ = 2.7 g/cm³)製作設計成長度與彎曲剛性相同的正方形截面樑。截面大小可自由改變時,鋁合金樑的質量約為鋼樑的幾倍?

  1. A約0.60倍
  2. B約0.35倍
  3. C約1.04倍
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正確答案:A. 約0.60倍

剛性固定之樑的質量與 ρ/√E 成正比。鋁合金為 2.7/√70 = 2.7/8.37 ≈ 0.323,鋼為 7.8/√210 = 7.8/14.5 ≈ 0.538,因此比值為 0.323/0.538 ≈ 0.60,即約0.60倍。鋁合金樑的楊氏模數為3分之1,必須加粗截面,但密度小,整體上約輕4成。約0.35倍是只看密度比(2.7/7.8)的值,忽略了為使剛性一致而加粗截面。約1.04倍是像拉伸拉桿那樣質量與 ρ/E 成正比時的值,在拉桿中鋁合金與鋼的質量幾乎沒有差別。

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