재료역학과 열전달

기계를 전문적으로 다루는 학과는 아니지만 이와 관련된 수업을 들어서 이와 관련된 내용을 정리하려고 합니다. 오늘은 재료역학과 열전달에 대해서 알아보독하겠습니다. 먼저 Mechanics(역학)은 힘하고 운동에 대한 관계를 다루는 학문입니다. 운동은 시간에 따라서 위치가 변하고 형상이 변하는 것을 뜻합니다. 모든 역학 시스템을 분석하는 사람들은 힘이란 무엇인지, 운동과 변형에 대해서, 힘에 대한 위치,변형을 연결짓는 법칙 등을 연구한다고 합니다. 기계를 다루는 사람들은 일반적으로 외부의 힘에 따른 위치, 변형에 대한 법칙을 찾아내려고 노력합니다. 재료역학이란 물체에 외력이 작용할 때 변형과 내력(반발하는 힘)을 다루는 학문입니다. 이때 물체는 기계나 구조물, 외력은 action force and momentum(하중)과 그에 대한 리액션으로 reaction force and momentum(반발력)입니다. Deformation(변형)은 형상의 변화를 의미하며 길이의 변화는 볼륨의 변화 즉, 수직변형률(normal strain)입니다. 각도의 변화는 체적의 변화가 없으며 전단변형률(shear strain)입니다. 전단변형률은 어떤 물체가 외력이 작용하면 길이는 변하지 않는 데 각도가 변하는 것을 말합니다. 두부를 생각해보면 위면을 옆으로 누르게 되면 길이가 변하는 것이 아니라 두부가 옆으로 기울여집니다. 즉 각도가 변하는 것입니다. Internal force(내력)은 응력(stress)입니다. Strain은 어떤 물체에 힘을 가했을 대 변형이 어떻게 되겠는가를 나타내는 지표입니다. Stress는 그 물체의 반발력이 어떻게 되는가를 나타내는 정도이며 한계치 이상 넘어가게 되면 그 물체를 손상을 입거나 쪼개지거나 합니다. 어떤 물체에 힘을 가했을 때 물체가 얼마 만큼 움직였는가는 동역학의 관점이고, 힘을 가했을 때 물체에 형상의 변형이 어떻게 이루어지는가를 다루는 것이 재료역학적 관점이라고 할 수 있습니다. 재료역학은 힘을 가할 때 밸런스를 가지고 가해야 합니다. 각 파트의 변형률이 합쳐져서 전체 변형률이 되어야합니다. 물체에 따라 strain과 stress가 다릅니다. 즉 재질에 따라 투자율이나 유전율이 다른 것처럼 재질특성에 따라 strain과 stress의 관계도 달라 집니다. 

이제 재료역학의 Body, Load, Stress-strain에 대해서 알아보겠습니다. Body, Machine structure(구조물)를 이루기 위해서는 여러가지 members(부재)가 필요합니다. 부재의 특성에 따라서 구분해 놓았습니다. Bar(봉)은 축방향 부재입니다. 축방향 변형 그리고 힘만 존재합니다. Truss는 bar만으로 구성된 구조물입니다. Beam(보)는 밴딩 맴버(bending member)인 굽힘 부재와 처짐(deflection)인 측면변형(lateral deformation), 그리고 굽힘 모멘트와 같은 특성을 가집니다. Frame은 beam만으로 구성된 구조물입니다. Plate는 평평한 평면이고 평평한데 휘어질 수 있는 구조인 굽힘 부재의 특성입니다. Shell은 면외하중, 굽힘부재, 곡면(curved surface)입니다. 전기에서 저항(R)은 에너지를 소비하는 특성을 가지고 있고, L과C는 에너지를 저장하는 특성을 가지고 있습니다. 이렇게 구분을 하고 있습니다. 이와 마찬가지로 어떤 부재는 축방향으로 힘을 받고, 어떤 부재는 밴딩만 되고 어떤 것은 밴딩이 되는 것으로 구분지었습니다. 그런 것들을 다 만들어서 하나의 구조물을 만들고, 그 구조물에 외력이 작용하는 데 그때 그 구조물들은 어떻게 변형을 일으키고 어떻게 내력이 발생하는지를 연구하는 것이 재료역학입니다. Load는 분포하중과 집중하중(distributed load, concentrated load), 동적하중과 정적하중(dynamic load, static load)로 분류할 수 있습니다. Supports는 변형을 구속하는 기구힙니다. 이러한 구속 조건에 따라서 결과값이 완전히 달라질 수 있으며 이 구속조건을 조정하는 것이 매우 어렵다고 합니다. 

Stress(응력)은 단위면적에 작요하는 내력의 크기입니다. 힘이 normal한 방향으로 작용하는 Normal stress(수직응력)과 힘이 표면하고 따라가는 전단 방향으로 즉 나란한 방향으로 작용하는 shear stress(전단응력)이 있습니다. Strain(변형률)은 변형된 정도를 나타내는데 Normal strain은 초기길이 분의 변형된 길이의 비율로 나타냅니다. 푸아송 비(poisson's ratio)은 재료에 어느 한 방향으로 단순한 수직변형력을 작용시키면, 그 방향에 세로변형이 생김과 동시에 그것과 수직인 방향에 반대 부호인 가로변형이 생깁니다. 이것의 비율이 푸아송비입니다. 푸아송비가 크다는 것은 물체가 압축이나 인장에 대한 저항력이 낮아집니다. 즉 압축하거나 인정하게 되면 물체의 길이가 쉽게 변하게 됩니다. 보통 푸아송비가 0에서 0.5사이면 천연재료이고, -1에서 0사이면 합성고분자 재료이고, 0.5이면 고무이고 0이면 코르크(와인 마개)입니다. Shear strain(전단변형률)은 높이 분의 변형된 길이의 비율로 표현됩니다. Hook's law는 재료의 탄성 영역에서 응력과 변형률 사이의 비례관계가 있는데 이것을 영률이라고 합니다. 응력이 값이 재료에 의해 정해지는 일정한 값을 초과하지 않을 때 응력과 그에 의해 생기는 변형률 사이의 비는 재료에 의해 정해지는 일정한 값을 가집니다. 어떤 물체의 영률이 크다는 것은 외부에서 힘을 작용했을 때 변형량이 작다는 것을 의미합니다.

Stress-strain diagram에 대해서 이야기 해보겠습니다. 탄성영역은 어떤 물체에 내가 외력을 주게 되면 그 물체는 변형을 일으킵니다. 그 외력을 제거하면 다시 원래 상태로 되돌아오는 영역입니다. 소성영역은 외력을 제거시키더라도 원래상태로 돌아오지 못하는 영역을 나타내는 것입니다. 소성가공은 물질을 소성영역에서 가공하는 것인데 자동체의 겉면등을 가공하는 것을 예로 들 수 있습니다. Yield stress는 탄성한계까지 내가 줄 수 있는 힘으로 항복응력이라고 합니다. Strain hardening(변형률경화)는 금속과 같은 재료가 외부로 부터 하중을 받아 소성변형이라고 불리는 영구적인 변형을 일으키는 것은 금속내의 결정체들의 전이라 불린느 미끄러짐에 기인합니다. 그런데 소성변형이 계속되면 결정체의 전이는 지속으로 증가하지 않고 둔화되는 특성을 보입니니다. 그 이후는 이미 전이된 결정체의 추가적인 전이에 저항하려는 성질때문입니다. 그 결과 추가적인 소송변형을 발생시키려면 이전보다 더 큰 하중이 필요하게 됩니다.

열전달은 온도차에 의해서 한 시스템에서 다른 시스템으로 전달되는 열에너지의 비율을 다루는 학문입니다. 열전달의 기본적인 메카니즘은 전도, 대류, 복사등이 있습니다. Thermodynamics는 한 평형 상태에서 다른 평형상태로 어떤 임의의 시스템이 진행해 나갈 때 전달되는 열의 양을 다루는 학문입니다. 전도는 더 운동량이 많은 입자를 가진 어떤 물체에서 덜 운동량을 가진 물체로 에너지가 전달되는 것이 전도입니다. 즉 입자들사이의 상호작용에 의해서 열에너지가 전달 되는 것입니다. 공기 같은 경우에는 열전다률이 낮아서 이중창문으로 중간간에 공기에 의한 절연을 하면 바깥으로 방출되는 열에너지값이 상당히 떨어져서 단열효과(보온)를 볼 수 있게 되는 것입니다. 대류는 고체 표면과 운동중에 있는 액체 또는 기체 사이에서의 에너지 전달입니다. 대류 열전달 계수는 유체의 고유한 특성이 아닙니다. 온도차에 의한 함수, 표면의 형상, 유체의 운동상태, 유체의 성질, 유체의 운동속도 같은 많은 변수들에 의한 함수입니다. 복사는 어떤 물체의 원자나 분자의 구조가 바뀜에 따라 전자기파의 형태로 물체에서 방출되는 에너지입니다. 전도나 대류와 달리 복사에 의한 열전달은 중간 매개 체계를 필요로 하지 않습니다. 오늘은 재료역학과 열전달에 대해서 이야기해 보았습니다. 기계학도는 아니지만 같은 공학을 하는 사람으로서 이러한 내용을 공부하는 것은 언젠가 나에게 도움이 될 것이라고 생각합니다. 상식도 채우고 미래에 대비해서 실력도 키우는 그러한 공부가 되었으면 좋겠습니다.