핵심: 재료역학은 물체의 변형에 대한 학문이다.
재료역학이 무엇일까? 재료역학은 물체의 변형을 다루는 학문이다. 모든 물체는 힘을 받으면 변형한다. 변형의 종류는 여러가지다. 늘어날 수도 있고, 휠 수도 있고, 부서질 수도 있다. 그럼 100N의 힘을 주면 얼마나 휠까? 정확히 얼만큼의 힘을 주면 부서질까? 이런 질문에 답을 해주는 학문이다.
힘을 주면 얼만큼의 변형을 할 것인가에 답하려면 힘과 변형의 관계를 알면 된다. 물리학에서는 이런 관계를 방정식으로 나타낸다. 즉, 우리는 힘과 변형을 방정식으로 표현하면 된다. 재료역학 초반부에는 힘과 변형의 관계를 식으로 표현하기 위해 알아야할 개념을 소개할 것이다. 그 전에 물체에 대해 할 이야기가 있다.
0. 물체는 변형체인 고체만 다룬다.
모든 물체가 힘을 받으면 변형하지만 우리는 오직 고체에 한정해서 배울 것이다. 액체도 변하고, 기체도 변하지만, 지금 배우는 재료역학보다 더 어려운 내용이다. 그리고 고체는 변형체라고 생각할 것이다. 이는 강체와 반대되는 개념임을 이야기하려고 하는 것이다.
강체는 힘을 주어도 변형을 하지 않는 물체를 말한다. 이런 물체는 세상에 없지만, 보통 역학을 처음 할 때 쉬운 물체부터 다뤄야 하기 때문에 강체를 가정하고 시작한다. 아마 정역학에서 강체를 가정했을 것이다. 하지만 이제는 그거보다 조금 어려운 변형체를 다룬다. 그럼 이제 변형에 관련된 3가지 이야기를 시작해보자.
1. 한 점이 받는 힘이 필요하다.
변형을 다루기 위해서는 물체 전체가 받는 힘이 아닌 한 점이 받는 힘이 필요하다. 위의 [그림1],[그림2]를 보자. 물체를 누르면 가운데는 많이, 끝에는 조금만 아래로 들어간다. 경험적으로 당연한 이야기이다. 하지만 물리학은 이 당연한 변형을 힘으로 설명해야한다. 여기서 문제가 발생한다. 만약 물체 전체가 받는 힘만을 알고 있다면 정보가 부족하다는 것이다.
물리학에서 두 물체가 같은 힘을 받는다면, 같은 움직임을 보여야한다. 하지만 [그림2]에 표시한 두 점은 이동한 정도가 다르다. 끝 쪽에 위치한 점은 얕게 들어가고, 중앙 쪽에 위치한 점은 깊게 들어간다. 이를 설명하기 위해 각 점마다 받는 힘이 다르다는 설명이 필요하다. 한점이 받는 힘을 수치화 한 양이 바로 '응력'이다. 그리고 응력에 의해 점이 이동한 정도를 '변형률'이라고 부른다.
2. 변형은 재료에 따라 다르다.
변형과 관련해서 재료가 달라지면 변형 양상이 다르다는 점을 알아야한다. 이것도 경험적으로는 당연하다. 찰흙으로 된 물체와 강철로 된 물체에 같은 힘을 준다고 하자. 누가 더 움푹 들어갈까? 당연히 찰흙이다. 여기서 문제가 발생한다. 재료역학은 힘과 변형의 관계를 서술해야한다. 근데 같은 힘을 줘도 재료에 따라 변형 정도가 다르다면 그 공식에는 무조건 재료를 표현하는 물리량이 들어가줘야 한다. 이 사실을 수치화 한 양이 바로 '탄성계수'와 '포아송비'이다.
3. 물체는 구속되어야 한다.
만약 위의 그림에 바닥이 없다면 어떻게 될까? 그럼 물체는 변형하지 않는다. 물체는 아래로 떨어진다. 즉 변형이 되려면 물체가 구속되어 있어야한다. 이를 쉽게 정지상태에 있어야한다고 한다. 여기서 안타까운 사실이 있는데, 재료역학을 하기 위해서는 꼭 정역학을 할 줄 알아야한다.
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