기계공학

응력과 변형률

Stress & Strain

외력이 재료 내부로 전달될 때, 그 힘을 받는 단면적으로 나눈 단위면적당 힘이 응력이고, 그로 인해 원래 길이 대비 얼마나 늘어나거나 줄었는지의 비율이 변형률. 응력은 재료가 "얼마나 세게 당겨지는지", 변형률은 "얼마나 늘어나는지"를 각각 나타내며, 이 둘의 관계가 재료의 강도 설계 전체의 출발점이 됨.

ex) 엘리베이터 와이어가 정원 인원의 무게를 견디는지 계산할 때 단면적당 응력을 구하는 것.

훅의 법칙

Hooke's Law

재료를 잡아당기면 원자 사이 결합이 늘어나는데, 변형이 작은 탄성 영역에서는 이 결합력이 늘어난 거리에 정확히 비례해서, 응력과 변형률도 정비례 관계(선형)를 이룸. 비례상수 (탄성계수)가 클수록 같은 응력에도 덜 늘어나는, 즉 더 "뻣뻣한" 재료.

ex) 스프링저울이 무게에 비례해 눈금이 늘어나는 원리와 동일.

단면 2차 모멘트

Moment of Inertia (Area)

단면의 각 미소 면적이 중립축에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 제곱해 가중 적분한 기하학적 성질. 같은 단면적이라도 재료를 중심에서 멀리 배치할수록(예: I자 빔) 가 커져 굽힘에 훨씬 강해지므로, 재료량 대비 강성을 극대화하는 단면 형상 설계의 핵심 지표.

ex) 건물 철골이 두꺼운 사각형 대신 I자 모양(H빔)으로 만들어지는 이유.

자유물체도와 평형방정식

Free Body Diagram & Equilibrium Equations

분석하려는 물체를 주변 구조물에서 분리해내고, 그 자리에 실제로 작용하는 모든 힘(반력, 하중, 자중)만 화살표로 표시한 그림이 자유물체도. 정지해 있는 물체는 모든 힘의 합과 모든 모멘트의 합이 각각 0이어야 한다는 평형방정식을 세워, 눈에 안 보이는 반력의 크기를 계산해내는 정역학 문제 풀이의 가장 기본적인 절차.

ex) 다리 위에 서 있는 사람의 무게를 다리 양쪽 지지대가 각각 얼마씩 나눠 받는지 계산하는 것.

모어의 원

Mohr's Circle

한 점에서의 응력 상태는 좌표축을 어떻게 잡느냐에 따라 다르게 보이는데, 이 응력변환 관계식을 원 하나로 시각화해, 각도만 회전시키면 임의 방향의 수직·전단응력과 응력이 최대가 되는 주응력·최대전단응력을 그림만으로 바로 읽어낼 수 있게 해주는 도구.

ex) 용접부처럼 여러 방향 하중이 겹치는 부위의 가장 위험한 파괴 방향을 찾을 때.

좌굴

Buckling

가늘고 긴 기둥은 압축 하중이 재료의 항복강도에 도달하기 훨씬 전에, 미세한 휨이 스스로를 증폭시키는 기하학적 불안정성 때문에 갑자기 옆으로 휘어버릴 수 있음. 임계하중 은 길이 의 제곱에 반비례해 급격히 낮아지므로, 기둥이 길어질수록 두께를 키우거나 지지점을 추가해야 함.

ex) 얇고 긴 자를 세워 위에서 누르면 부러지기 전에 휘어버리는 현상.

유한요소법

Finite Element Method (FEM)

복잡한 형상의 구조물은 응력·변형을 손으로 푸는 게 사실상 불가능한데, 전체 형상을 삼각형·사각형 같은 단순한 유한개의 작은 요소(element)로 잘게 쪼갠 뒤, 각 요소 안에서는 변형이 간단한 함수로 근사된다고 가정해 요소들을 강성행렬로 연결한 거대한 연립방정식을 컴퓨터로 풀어 전체 구조물의 응력·변형 분포를 근사적으로 계산하는 수치해석 기법.

ex) 자동차 충돌 시뮬레이션이나 신형 항공기 날개의 강도를 실제로 만들기 전에 컴퓨터로 미리 검증하는 것.

비틀림과 전단응력

Torsion & Shear Stress

축이 양 끝에서 서로 반대 방향으로 돌리는 토크 를 받으면, 축의 표면에서 가장 크고 중심으로 갈수록 0이 되는 전단응력이 발생함. 이 전단응력은 축의 반지름 과 극단면 2차모멘트 로 계산되며, 굽힘이 휘어지는 변형이라면 비틀림은 회전 방향으로 뒤틀리는 변형이라는 점에서 별도로 다뤄야 하는 하중 형태.

ex) 자동차 구동축이 엔진 토크를 바퀴까지 전달할 때 견뎌야 하는 비틀림 응력을 계산하는 것.

뉴턴의 운동법칙

Newton's Laws of Motion

물체는 힘이 가해지지 않으면 운동 상태를 유지하고(관성), 힘이 가해지면 그 힘에 비례하고 질량에 반비례하는 가속도로 운동이 바뀌며, 한 물체가 다른 물체에 힘을 가하면 정확히 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 받는다(작용-반작용)는 세 법칙. 자동차부터 로켓까지 모든 기계 동역학 해석이 이 하나에서 출발함.

ex) 자동차 에어백이 충돌 시 정확히 언제 얼마나 세게 터져야 하는지 계산하는 충돌 해석의 기초.

각운동량 보존

Conservation of Angular Momentum

외부 토크가 없으면 회전관성 와 각속도 의 곱인 각운동량이 일정하게 보존됨. 회전체의 질량 분포가 바뀌어 가 작아지면(팔다리를 몸쪽으로 당기듯) 각운동량을 유지하기 위해 가 커져야 함.

ex) 피겨스케이팅 선수가 팔을 몸에 붙이면 회전 속도가 빨라지는 현상.

라그랑주 역학

Lagrangian Mechanics

뉴턴역학처럼 힘을 벡터로 일일이 분해하는 대신, 운동에너지에서 위치에너지를 뺀 라그랑지안 하나로부터 운동방정식을 자동으로 유도하는 방법. 로봇팔처럼 여러 관절이 복잡하게 얽힌 다물체 시스템에서는 좌표계마다 힘을 따로 계산하는 뉴턴식보다 훨씬 체계적으로 방정식을 세울 수 있음.

ex) 다관절 산업용 로봇팔의 각 관절 토크를 계산하는 제어 알고리즘의 기반.

진동 및 공진

Vibration & Resonance

질량-스프링계는 스프링상수 와 질량 으로 정해지는 고유진동수 로 스스로 진동하려는 성질이 있는데, 외부에서 가하는 힘의 진동수가 이 고유진동수와 일치하면 매 주기마다 에너지가 계속 더해져 진폭이 이론상 무한히 커지는 공진 현상이 발생함.

ex) 1940년 타코마 다리가 바람에 의한 진동수와 고유진동수가 겹쳐 붕괴한 사고.

자이로스코프 세차운동

Gyroscopic Precession

빠르게 회전하는 물체(회전축을 가진 팽이·바퀴)의 회전축을 기울이려는 토크를 가하면, 그 물체는 힘을 가한 방향이 아니라 그와 수직인 방향으로 축이 서서히 도는 세차운동을 함. 각운동량 벡터가 가해진 토크 방향으로 변화하려는 성질 때문에 나타나는 현상으로, 회전체 특유의 반직관적인 운동 방향을 설명함.

ex) 자전거가 넘어지지 않고 균형을 유지하는 데 바퀴의 자이로 효과가 일부 기여하는 것.

다자유도계 진동

Multi-Degree-of-Freedom Vibration

여러 질량과 스프링이 연결되면 각 질량의 운동방정식이 서로 얽힌 연립 미분방정식이 되는데, 이를 질량행렬과 강성행렬로 이루어진 고유값 문제로 바꾸면 여러 개의 고유진동수와 그에 대응하는 진동 형태(모드 형상)를 한 번에 구할 수 있음.

ex) 고층 빌딩이 지진에 흔들릴 때 층마다 다르게 진동하는 여러 모드를 해석하는 내진 설계.

감쇠

Damping

진동 에너지가 마찰·공기저항 등으로 서서히 소실되는 정도를 나타내는 감쇠비 . 이면 진폭이 점점 줄며 진동하는 부족감쇠, 이면 진동 없이 가장 빨리 정지하는 임계감쇠, 이면 천천히 정지하는 과감쇠로 나뉨.

ex) 자동차 서스펜션(쇼크업소버)이 노면 충격 후 통통 튀지 않고 빨리 안정되도록 임계감쇠 근처로 설계됨.

고유진동수와 공진 회피

Natural Frequency & Resonance Avoidance

구조물이나 기계 부품의 고유진동수를 미리 해석하거나 실측해, 모터 회전수나 외부 가진 진동수가 그 값과 겹치지 않도록 질량·강성을 조정하거나 운전 영역을 회피하는 설계 원칙. 완전히 겹치지 않더라도 충분한 여유(보통 20~30%)를 두는 게 실무 기준.

ex) 세탁기가 탈수 시 특정 회전수를 빠르게 지나쳐버리는 이유(그 회전수가 세탁조의 고유진동수와 가깝기 때문).

강제진동과 진동전달률

Forced Vibration & Transmissibility

외부에서 계속 힘을 가하는 강제진동 상태에서, 가진 진동수 가 고유진동수 보다 충분히 크면(약 배 이상) 오히려 전달률이 1보다 작아져 진동이 실제로 절연되는 구간이 나타남. 이 원리를 이용해 방진 마운트의 강성을 일부러 낮춰 고유진동수를 가진 진동수보다 훨씬 낮게 설계하면 진동 전달을 효과적으로 차단할 수 있음.

ex) 세탁기나 에어컨 실외기 밑에 부드러운 고무 마운트를 깔아 진동이 바닥으로 전달되는 걸 막는 설계.

열역학 제1법칙

First Law of Thermodynamics

에너지는 새로 생기거나 사라지지 않고 형태만 바뀐다는 보존 법칙을 열(Q)과 일(W)에 적용한 것으로, 계에 가해진 열에서 계가 외부에 한 일을 뺀 만큼 내부에너지 가 변한다는 관계. 엔진, 냉장고 등 모든 열기관 해석의 회계 장부와 같은 역할.

ex) 자동차 엔진이 연료를 태워 얻은 열 중 일부만 바퀴를 굴리는 일로 바뀌고 나머지는 배기·냉각으로 버려지는 계산.

열역학 제2법칙과 엔트로피

Second Law & Entropy

고립계에서 무질서도를 나타내는 엔트로피는 저절로 줄어들 수 없고 항상 증가하거나 그대로라는 법칙. 이 때문에 열은 스스로 저온에서 고온으로 흐르지 않으며, 어떤 열기관도 받은 열을 100% 일로 바꿀 수 없다는 근본적 한계를 규정함.

ex) 냉장고가 내부를 차갑게 만들려면 반드시 외부에서 전기 일을 넣어줘야 하는 이유.

카르노 사이클

Carnot Cycle

두 개의 등온 과정과 두 개의 단열 과정으로만 이루어져, 주어진 고온 ·저온 사이에서 어떤 실제 기관도 이보다 높은 효율을 낼 수 없는 이론적 최대 효율의 사이클. 실제 엔진은 마찰·비가역성 때문에 이 효율에 못 미침.

ex) 발전소 열효율의 이론적 상한선을 계산해 개선 여지를 가늠할 때.

랭킨 사이클

Rankine Cycle

보일러에서 물을 고압 수증기로 만들고, 그 증기가 터빈을 돌리며 압력을 잃은 뒤, 응축기에서 다시 물로 식혀 펌프로 보일러에 되돌리는 4단계 순환 과정. 화력·원자력 발전소 대부분이 이 사이클로 열에너지를 전기에너지로 바꿈.

ex) 화력·원자력발전소가 증기의 힘으로 터빈-발전기를 돌려 전기를 만드는 기본 원리.

오토 사이클

Otto Cycle

피스톤이 일정한 부피에서 순간적으로 연료가 점화되어 열이 공급되는 정적 과정을 포함하는, 가솔린 엔진의 이론적 모델. 효율 가 압축비 이 커질수록 높아지므로, 엔진 설계에서 압축비를 최대한 높이려는 이유가 이 식으로 설명됨.

ex) 가솔린 엔진의 압축비를 높이면 연비가 좋아지는 이유.

엑서지(가용에너지)

Exergy (Available Energy)

열역학 제1법칙은 에너지의 양이 보존된다는 것만 말해줄 뿐, 그 에너지가 실제로 얼마나 "쓸모 있는 일"로 바꿀 수 있는지는 말해주지 않는데, 엑서지는 주어진 에너지 중 주변 환경과 평형에 이를 때까지 이론상 뽑아낼 수 있는 최대 유용일을 정량화한 개념. 열역학 제2법칙(엔트로피 증가)에 따라 실제 공정에서는 항상 엑서지 일부가 돌이킬 수 없이 파괴되는데, 이 파괴량을 추적하면 시스템의 어느 부분이 진짜 비효율의 원인인지 짚어낼 수 있음.

ex) 발전소 설계자가 단순히 열효율만 볼 게 아니라, 어느 설비에서 엑서지(유용한 일 능력)가 가장 많이 낭비되는지 찾아 개선 우선순위를 정하는 것.

브레이턴 사이클

Brayton Cycle

공기를 압축기로 압축하고, 연소실에서 연료를 태워 고온·고압 가스로 만든 뒤, 그 가스가 터빈을 돌리며 팽창해 동력을 만들어내는 가스터빈 엔진의 이론적 사이클. 오토·랭킨 사이클이 각각 자동차 엔진과 증기발전소를 대표한다면, 브레이턴 사이클은 제트엔진과 가스터빈 발전소의 동작 원리를 설명함.

ex) 가스터빈 발전소나 제트엔진이 압축-연소-팽창의 순환 과정으로 동력을 만드는 이론적 기반.

베르누이 방정식

Bernoulli's Equation

점성이 없는 유체가 정상 상태로 흐를 때, 압력에너지·운동에너지·위치에너지의 합이 유선을 따라 일정하게 보존된다는 에너지 보존 법칙. 유속이 빨라지면 그만큼 압력이 낮아지는 관계가 핵심으로, 유체역학의 가장 기본적이면서도 널리 쓰이는 관계식.

ex) 비행기 날개 위쪽 공기가 빨리 흘러 압력이 낮아지며 양력이 생기는 원리.

나비에-스토크스 방정식

Navier-Stokes Equations

유체 미소 요소에 뉴턴의 운동법칙을 적용해 압력, 점성력, 관성력 사이의 관계를 기술한 편미분방정식. 비선형 항 때문에 대부분의 실제 유동 문제는 해석적으로 풀 수 없어, 컴퓨터로 격자를 나눠 근사적으로 푸는 전산유체역학(CFD)이 발전한 배경이 됨.

ex) 자동차·비행기 설계 시 슈퍼컴퓨터로 공기 저항을 시뮬레이션하는 CFD 해석의 기초 방정식.

레이놀즈수

Reynolds Number

유체를 흐트러뜨리려는 관성력과 흐름을 가지런히 유지하려는 점성력의 상대적 크기를 비교하는 무차원수. 가 작으면 유체가 층을 이루며 매끄럽게 흐르는 층류, 크면 소용돌이치며 불규칙하게 흐르는 난류가 되며, 그 경계(임계 레이놀즈수)를 기준으로 유동 저항과 열전달 특성이 크게 달라짐.

ex) 수도꼭지를 세게 틀면 물줄기가 매끈하다가 갑자기 뿌옇게 흐트러지는 현상(층류→난류 전이).

연속 방정식

Continuity Equation

비압축성 유체는 흐르는 도중에 질량이 생기거나 사라지지 않으므로, 관의 단면적이 좁아지면 그만큼 유속이 빨라져야 단위시간당 통과 질량이 일정하게 유지된다는 질량보존 원리.

ex) 호스 끝을 손가락으로 좁히면 물이 더 세게, 멀리 뿜어져 나오는 현상.

경계층과 항력계수

Boundary Layer & Drag Coefficient

물체 표면에 바로 붙은 유체는 점성 때문에 속도가 0이고 표면에서 멀어질수록 주류 속도로 빠르게 회복되는 얇은 층(경계층) 안에서 대부분의 마찰저항이 생기며, 물체 뒤쪽에서 이 경계층이 표면에서 떨어져나가는 유동박리가 일어나면 훨씬 큰 압력저항(형상항력)이 추가로 발생함. 두 저항을 합친 전체 항력을 무차원 항력계수 로 표준화해 물체 형상별 공기저항 성능을 비교함.

ex) 자동차·자전거 헬멧이 유선형으로 설계돼 뒤쪽 유동박리를 최대한 늦춰 연비·속도를 높이는 것.

펌프와 캐비테이션

Pumps & Cavitation

펌프가 액체를 빨아들이는 흡입 쪽 압력이 그 액체의 증기압보다 낮아지면, 액체가 끓지 않아야 할 상온에서도 국부적으로 기화해 기포가 생겼다가 압력이 높은 곳으로 이동하며 순식간에 붕괴하는 캐비테이션이 발생함. 이 기포가 터질 때 생기는 국부적 고압 충격이 펌프 날개(임펠러) 표면을 반복적으로 침식시켜 손상을 일으키므로, 흡입 압력을 충분히 확보하는 설계가 중요함.

ex) 선박 프로펠러나 펌프 임펠러 표면이 시간이 지나며 벌집처럼 침식되는 손상의 원인.

전도, 대류, 복사

Conduction, Convection & Radiation

고체 내부에서 분자·전자의 진동으로 열이 이웃으로 전달되는 전도(온도 기울기에 비례, 열전도율 가 클수록 잘 전달됨), 유체의 흐름이 열을 실어나르는 대류, 매질 없이 전자기파로 열이 전달되는 복사 — 세 메커니즘이 대부분의 실제 상황에서 동시에 작용함.

ex) 뜨거운 국그릇을 만지면 뜨겁고(전도), 국물 위 김이 올라가고(대류), 멀리서도 화로의 열기가 느껴지는(복사) 것.

열교환기 설계

Heat Exchanger Design

고온 유체와 저온 유체를 직접 섞지 않고 얇은 금속판이나 관을 사이에 두고 흐르게 해 열만 교환시키는 장치. 두 유체의 온도차가 입구와 출구에서 다르므로 이를 대수적으로 평균한 대수평균온도차(LMTD)를 이용해 필요한 전열 면적을 계산함.

ex) 에어컨 실외기 안에서 냉매가 외부 공기와 열을 주고받는 라디에이터형 열교환기.

핀(휜) 열전달

Fin Heat Transfer

표면적을 늘리면 대류 열전달량도 늘어난다는 원리를 이용해, 방열이 필요한 표면에 얇고 긴 돌기(핀)를 여러 개 붙여 실제 표면적을 몇 배로 늘리는 열전달 강화 기법. 핀이 너무 길면 뿌리에서 끝까지 갈수록 온도가 떨어져 끝부분은 방열에 거의 기여하지 못하므로, 재료량 대비 방열 효율이 최대가 되는 최적 핀 길이가 존재함.

ex) CPU 위에 얹힌 알루미늄 방열판의 촘촘한 핀들이 좁은 면적에서도 많은 열을 공기 중으로 방출하는 것.

CNC 가공

CNC Machining

3D 설계 도면을 컴퓨터가 공구 이동 경로(G코드)로 자동 변환해, 회전하는 절삭 공구를 X·Y·Z축으로 정밀 제어하며 원재료 덩어리를 깎아내 형상을 만드는 절삭 가공 방식. 사람이 손으로 다이얼을 돌리는 수동 가공보다 정밀도와 반복 재현성이 훨씬 높음.

ex) 금형이나 항공기 부품처럼 마이크로미터급 정밀도가 필요한 부품 가공.

적층제조 (3D프린팅)

Additive Manufacturing (3D Printing)

재료를 깎아내는 절삭 가공과 반대로, 얇은 층을 아래에서부터 한 층씩 쌓아 올려 형상을 완성하는 제조 방식. 내부에 복잡한 격자 구조나 빈 공간을 만들 수 있어 금형으로는 불가능한 형상도 제작할 수 있지만, 표면 정밀도와 생산 속도는 절삭 가공보다 떨어짐.

ex) 환자 뼈 구조에 맞춘 개인 맞춤형 임플란트나 시제품(프로토타입) 제작.

공차설계

Tolerance Design

모든 부품은 완벽히 동일한 치수로 만들 수 없으므로, 조립과 성능에 문제가 없는 허용 오차 범위를 미리 정해두는 설계 기법. 공차를 너무 빡빡하게 잡으면 불량률과 가공비가 치솟고, 너무 느슨하면 조립이 안 되거나 성능이 떨어지는 트레이드오프가 있음.

ex) 자동차 엔진 피스톤과 실린더 사이의 틈새를 마이크로미터 단위로 관리하는 설계.

위상최적화

Topology Optimization

설계자가 대략적인 형상을 미리 정해두고 두께만 조정하는 전통적 최적화와 달리, 주어진 설계 공간과 하중·경계조건만 입력하면 컴퓨터가 반복 계산을 통해 재료가 꼭 필요한 부분만 남기고 불필요한 부분은 스스로 제거해, 목표 강성 대비 무게를 최소화하는 유기적인 형상을 자동으로 찾아내는 설계 기법. 3D 프린팅처럼 복잡한 형상도 제작 가능한 적층제조와 특히 궁합이 좋음.

ex) 항공기 브래킷을 위상최적화로 재설계해 강도는 유지하면서 무게를 크게 줄이는 것.

사출성형과 주조

Injection Molding & Casting

녹인 플라스틱을 금형에 고압으로 밀어넣어 굳히는 사출성형과, 녹인 금속을 금형에 부어 굳히는 주조는 CNC 절삭과 달리 한 번 금형을 만들면 똑같은 형상을 매우 빠르고 저렴하게 대량 복제할 수 있는 제조 방식. 다만 초기 금형 제작비가 커서 소량 생산에는 비효율적이라는 트레이드오프가 있어, 예상 생산량에 따라 절삭·사출·3D프린팅 중 적절한 공법을 선택함.

ex) 플라스틱 장난감이나 자동차 엔진 블록처럼 수만 개를 똑같이 찍어내는 대량생산 부품 제조.

피로 파괴

Fatigue Failure

재료의 항복강도보다 훨씬 작은 하중이라도 반복적으로 가해지면, 미세한 결함 주변에 응력이 누적되어 서서히 균열이 자라나다가 어느 순간 갑자기 파괴에 이르는 현상. 반복 응력 크기와 파괴까지의 반복 횟수 관계를 그린 S-N 선도로 부품의 피로수명을 예측함.

ex) 철사 옷걸이를 계속 구부렸다 폈다 하면 결국 끊어지는 현상.

안전율

Factor of Safety

재료가 실제로 견딜 수 있는 최대 하중이 설계에서 예상한 하중보다 몇 배나 여유가 있는지를 나타내는 비율. 재료 물성의 편차, 제조 오차, 예상 못한 하중 등 불확실성에 대비해 이 값을 1보다 충분히 크게(용도에 따라 1.5~10배) 잡아 설계함.

ex) 승강기 와이어가 정원 인원 무게의 최소 10배까지 견디도록 설계되는 안전 기준.

열처리

Heat Treatment

금속을 특정 온도까지 가열한 뒤 냉각 속도를 조절해 내부 결정 구조를 바꿔, 경도·강도·인성 같은 기계적 성질을 목적에 맞게 개선하는 공정. 급랭시키면 단단하지만 잘 깨지고(담금질), 서서히 냉각시키면 무르지만 잘 휘어짐(풀림).

ex) 칼날은 담금질로 단단하게, 스프링은 뜨임 처리로 탄성을 살리는 것.

기어비

Gear Ratio

맞물린 두 기어의 잇수 비율. 잇수가 많은 기어로 동력을 전달하면 회전속도는 느려지는 대신 토크는 그 비율만큼 커지는 트레이드오프 관계(에너지 보존)가 성립함.

ex) 자전거 변속기가 낮은 기어로 바꾸면 페달은 가벼워지지만 바퀴는 천천히 도는 것.

폰 미제스 응력(등가응력)

Von Mises Stress (Equivalent Stress)

실제 부품은 한 방향이 아니라 여러 방향에서 동시에 응력을 받는 복합 하중 상태인데, 단순 인장시험으로 얻은 항복강도 하나와 비교하려면 여러 방향 응력(, 주응력)을 하나의 대표값으로 환산해야 함. 폰 미제스 응력은 재료가 소성변형을 시작하는 조건을 가장 잘 예측하는 등가응력 공식으로, FEM 해석 결과에서 부품의 특정 지점이 항복할지 판단하는 표준 기준으로 쓰임.

ex) FEM 소프트웨어가 복잡한 형상의 부품에 색깔로 응력 분포를 표시할 때 그 색이 나타내는 값이 바로 이 등가응력.

베어링과 윤활

Bearings & Lubrication

회전하는 축을 지지하면서 마찰을 최소화하는 기계요소로, 구슬이 구르며 접촉 마찰을 줄이는 볼베어링과, 얇은 윤활유 막이 축과 베어링 표면을 완전히 띄워 고체끼리 접촉하지 않게 만드는 유체윤활 베어링이 대표적. 윤활유 막이 끊기면 금속끼리 직접 마찰하며 급격히 마모·발열되므로, 하중·속도에 맞는 윤활 방식과 점도를 설계하는 게 회전기계 수명을 좌우함.

ex) 엔진 크랭크축이 윤활유 막 위에 떠서 회전해 금속 마모 없이 수십만 킬로미터를 버티는 것.

금속의 소성변형

Plastic Deformation of Metals

결정 격자 안의 원자 배열 결함(전위)이 외력을 받아 격자면을 따라 미끄러지듯 이동하면서 발생하는, 하중을 제거해도 원래 모양으로 돌아오지 않는 영구 변형. 전위가 이동하며 서로 얽혀 더 움직이기 어려워지는 가공경화 현상이 함께 나타나 소성변형이 진행될수록 재료가 점점 단단해짐.

ex) 철사를 손으로 구부리면 다시 펴도 완전히 원래대로 돌아오지 않는 것.

복합재료

Composite Materials

강도가 높은 섬유(탄소섬유, 유리섬유 등)를 접착력이 있는 기지재(수지)로 감싸 결합한 재료로, 각 재료 단독보다 가벼우면서도 특정 방향으로는 훨씬 강한 물성을 얻을 수 있음. 섬유 배열 방향에 따라 강도가 크게 달라지는 이방성이 설계의 핵심 변수.

ex) 탄소섬유 강화플라스틱(CFRP)으로 만든 항공기 동체와 자전거 프레임.

재료 선정 기준

Materials Selection Criteria

강도, 무게, 내식성, 가공성, 비용 등 여러 요구조건에 우선순위를 매기고 재료 물성 데이터베이스와 비교해 부품 목적에 가장 적합한 재료를 골라내는 공학적 의사결정 과정. 한 재료가 모든 조건에서 최고일 수는 없어 항상 트레이드오프가 발생함.

ex) 자동차 차체를 강철·알루미늄·복합재 중 무엇으로 만들지 결정하는 설계 초기 단계.

연성-취성 천이온도

Ductile-to-Brittle Transition Temperature (DBTT)

체심입방(BCC) 구조의 철강 재료는 상온에서는 잘 늘어나며 파괴되는 연성 거동을 보이다가, 온도가 특정 값(천이온도) 이하로 내려가면 거의 늘어나지 않고 갑자기 깨지는 취성 거동으로 급격히 바뀌는 특성이 있음. 이 천이온도를 정확히 알아야 저온 환경에서 쓰이는 재료가 갑자기 취성 파괴를 일으키는 사고를 예방할 수 있음.

ex) 1912년 타이타닉호 선체 강판이 차가운 북대서양 해수 온도에서 천이온도 아래로 내려가 취성 파괴에 취약해졌던 것으로 분석되는 사례.

응력집중

Stress Concentration

구멍, 노치, 모서리처럼 형상이 급격히 바뀌는 부위에서는 응력 흐름이 매끄럽게 이어지지 못하고 국부적으로 몰려, 평균 응력 의 응력집중계수 배까지 커짐. 이 국부적 고응력 지점이 대부분의 균열 발생 시작점이 됨.

ex) 비행기 창문 모서리를 둥글게 설계하는 이유(각진 모서리에 응력이 집중되면 균열이 시작됨).

파괴인성

Fracture Toughness

재료 내부에 이미 균열이 존재할 때, 그 균열 끝 응력장의 세기를 나타내는 응력확대계수가 재료 고유의 임계값 를 넘으면 균열이 순식간에 전파되어 파괴가 일어남. 강도는 높지만 파괴인성이 낮은 재료는 작은 결함에도 갑자기 깨질 수 있어 항공·원자력 등 안전이 중요한 설계에서 별도로 반드시 관리하는 물성.

ex) 유리(파괴인성 낮음)는 작은 흠집에도 쉽게 깨지지만, 같은 강도의 강철은 흠집이 있어도 잘 안 깨지는 이유.

피로균열 성장(파리스 법칙)

Fatigue Crack Growth (Paris' Law)

반복 하중을 받는 부품에 이미 미세균열이 있을 때, 매 하중 반복(사이클)마다 균열이 얼마나 자라나는지를 응력확대계수 변화폭 의 거듭제곱으로 나타낸 경험식. 이 식을 적분하면 균열이 초기 크기에서 파괴에 이르는 위험 크기까지 자라는 데 필요한 반복 횟수, 즉 남은 수명을 정량적으로 예측할 수 있어, 항공기처럼 정기 점검으로 균열을 관리하는 손상허용설계의 핵심 도구.

ex) 항공기 동체의 미세균열이 다음 정기점검 전까지 위험 크기로 자라지 않을 것을 이 법칙으로 계산해 점검 주기를 정하는 것.