전단 탄성률에 대한 모든 것: 강성률에 대한 간단한 안내

혹시 강철 빔이 왜 그렇게 강한지 궁금했던 적이 있나요? 아니면 고무 밴드가 왜 그렇게 잘 늘어나는지 궁금했던 적이 있나요? 그 해답의 큰 부분은 바로 전단 탄성 계수라는 것입니다. 다양한 재료를 다루면서 이 숫자가 얼마나 중요한지 알게 되었습니다. 이 숫자는 재료가 비틀거나 층이 미끄러지게 하는 힘에 어떻게 반응하는지 알려줍니다.

전단 탄성 계수에 대해 배우는 것은 안전한 다리를 건설하고 더 나은 제품을 만드는 데 매우 중요합니다. 심지어 우리가 사는 세상을 이해하는 데도 도움이 됩니다. 이 글에서는 이 중요한 계수에 대해 알아야 할 모든 것을 설명합니다. 여러분이 왜 그렇게 중요한지, 그리고 어떻게 여러분의 일상생활의 일부인지 이해할 수 있도록 쉬운 단어를 사용할 것입니다. 전단 탄성 계수에 대해 아는 것은 우리 세계를 구성하는 재료의 강도와 강성을 이해하는 데 도움이 되므로 이 글을 읽을 가치가 있습니다.

전단 탄성률이란 무엇이며 왜 중요한가요?

사람들은 종종 저에게 전단 탄성 계수를 간단하게 설명해 달라고 합니다. 여기 좋은 비유가 있습니다. 전단 탄성 계수는 힘이 재료의 층을 서로 미끄러지게 하려고 할 때 재료가 얼마나 뻣뻣한지를 측정하는 방법입니다. 두꺼운 책을 상상해 보세요. 아래쪽 표지를 잡고 위쪽 표지를 옆으로 밀면 책이 밀어내는 것을 느낄 수 있습니다. 그 밀어내는 힘, 즉 저항은 재료의 전단 탄성 계수와 관련이 있습니다. 이 속성은 강성률이라고도 합니다. 전단 탄성 계수가 높을수록 재료는 이 미끄러짐에 더 많이 저항합니다. 이러한 모양의 변화를 변형이라고 합니다. 이 계수는 재료의 탄성 속성의 매우 기본적인 부분입니다.

공식적인 정의는 전단 탄성 계수는 전단 응력과 전단 변형률의 비율로 정의된다는 것입니다. 이 단어들을 설명해 드리겠습니다. "응력"은 특정 면적에 가하는 힘의 양입니다. "변형률"은 재료가 얼마나 휘어지거나 모양이 변하는지입니다. 따라서 전단 탄성 계수는 특정 양의 변형률을 얻기 위해 얼마나 많은 응력이 필요한지 알려줍니다. 이것은 재료의 탄성을 이해하는 데 매우 중요한 개념입니다. 이 계수는 힘을 멈춘 후 재료가 원래 모양으로 돌아가는 힘을 측정하는 것입니다. 이것이 엔지니어와 과학자가 전단 탄성 계수를 이해하는 것이 매우 중요한 이유입니다. 그것은 그들이 일상적인 상황에서 재료가 어떻게 작용할지 추측하는 데 도움이 됩니다. 그것은 그들이 사용하는 필요한 탄성 상수 중 하나입니다.

이 계수는 재료의 강도와 작동 방식을 확인하는 가장 중요한 방법 중 하나입니다. 전단 탄성 계수 값은 재료가 전단으로 인한 모양 변화에 얼마나 잘 저항하는지 나타냅니다. 전단 탄성 계수가 높은 재료는 매우 뻣뻣하거나 구부리기 어렵습니다. 전단 탄성 계수가 낮은 재료는 매우 유연합니다. 이 값은 탄성 계수 그룹의 일부입니다. 그것은 높은 건물에서 자동차 부품에 이르기까지 모든 종류의 것을 설계하는 데 매우 중요합니다. 바람과 같은 것에서 오는 밀고 당기는 힘에 저항하는 건물의 힘은 종종 부품의 전단 탄성 계수에서 비롯됩니다.

전단 탄성 계수 방정식을 어떻게 이해할 수 있을까요?

이제 이 계수에 대한 수학을 살펴봅시다. 전단 탄성 계수 방정식은 이해하기 매우 쉽습니다. 방정식은 다음과 같습니다.

G = τ / γ

다음은 해당 방정식의 문자가 의미하는 것입니다.

• G는 전단 탄성 계수를 나타냅니다.
• τ (타우라고 하는 그리스 문자)는 전단 응력을 나타냅니다.
• γ (감마라고 하는 그리스 문자)는 전단 변형률을 나타냅니다.

전단 응력은 표면의 상단을 따라가는 밀거나 당기는 힘을 해당 표면의 크기로 나눈 값입니다. 전단 변형률은 재료가 변형되는 양, 즉 변형량입니다. 전단 탄성 계수 방정식은 계수가 이 간단한 관계로 정의됨을 보여줍니다. 이 응력 대 변형률의 비율은 재료 과학의 기본 개념입니다.

전단 탄성 계수에 대해 과학자들이 사용하는 주요 단위는 파스칼(Pa)입니다. 파스칼은 면적에 가해지는 힘인 압력의 척도입니다. 그러나 재료는 일반적으로 매우 강하므로 전단 탄성 계수는 엄청난 숫자입니다. 이 때문에 일반적으로 기가파스칼(GPa)로 숫자를 표현합니다. 기가파스칼은 10억 파스칼입니다! 평방 인치당 파운드(psi)로 작성된 것을 볼 수도 있습니다. 전단 탄성 계수를 측정할 때 재료에 대한 이 중요한 숫자를 찾고 있습니다. 이 전단 탄성 계수 모델은 선형 탄성 재료를 연구하는 방법의 핵심 부분입니다.

일반적인 전단 탄성 계수 값에는 어떤 것들이 있습니까?

제 작업을 통해 저는 다양한 재료를 사용했습니다. 그들의 전단 탄성 계수 값은 서로 매우 다를 수 있습니다. 이것은 그들의 강성이 얼마나 다른지 보여줍니다. 전단 탄성 계수가 높은 재료는 매우 뻣뻣합니다. 전단 탄성 계수가 낮은 재료는 매우 잘 구부러집니다. 예를 들어 다이아몬드는 매우 뻣뻣하므로 가장 높은 전단 탄성 계수 중 하나를 가지고 있습니다. 그러나 고무와 같은 부드러운 재료는 매우 낮습니다. 전단 탄성 계수가 0인 재료는 액체입니다. 왜냐하면 전단에 전혀 저항하지 않기 때문입니다.

다음은 몇 가지 일반적인 전단 탄성 계수 값이 있는 표입니다. 이 계수를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 강철과 같은 단단한 금속은 고분자와 같은 더 부드러운 재료보다 계수가 훨씬 높다는 것을 알 수 있습니다. 이 정보는 작업에 적합한 재료를 선택해야 할 때 매우 유용합니다. 예를 들어 전단 탄성 계수가 10GPa 미만인 재료는 상당히 유연한 것으로 간주됩니다. 전단 탄성 계수가 40GPa 이하인 재료는 약간의 구부러짐이 허용될 때 사용됩니다.

보시다시피 전단 탄성 계수는 극도로 높거나 매우 낮을 수 있습니다. 다이아몬드는 가장 높은 전단 탄성 계수를 가지고 있으며 믿을 수 없을 정도로 뻣뻣합니다. 이것은 다이아몬드의 다이아몬드 입방 결정 구조 내부의 작은 입자들 사이의 매우 강한 연결 때문입니다. 이 표는 강철이 건물의 프레임에 선택되고 고무가 타이어를 만드는 데 사용되는 이유를 보여줍니다.

금속의 전단 탄성률이 건축에 중요한 이유는 무엇일까요?

건물 설계 경험에서 금속의 전단 탄성 계수는 우리가 생각하는 가장 중요한 것 중 하나입니다. 건물과 다리를 설계할 때 그들이 처리해야 할 모든 힘에 대해 생각해야 합니다. 이러한 힘은 건물의 강철 부품에 전단 응력이라고 하는 밀고 미끄러지는 힘을 유발할 수 있습니다. 예를 들어 높은 건물의 측면을 밀어내는 강한 바람은 매우 강한 측면 밀기를 만드는데, 이것이 전단력입니다. 이 힘은 전단력에 의한 변형을 유발합니다. 우리는 건물이 파손되지 않고 모양 변화를 처리할 수 있는지 확인해야 합니다.

건물에 사용되는 구조용 강철은 약 79.3GPa의 높은 전단 탄성 계수를 가지고 있습니다. 이 높은 값은 이러한 측면 힘으로 인한 변형에 대한 뛰어난 저항력을 가지고 있음을 의미합니다. 강철과 같은 재료의 강성은 그것이 현대 도시의 뼈대로 사용되는 이유입니다. 강철이 높은 강성률을 가지고 있지 않다면 건물은 매우 위험한 방식으로 비틀리고 움직일 것입니다. 우리는 강철 부재의 응력을 신중하게 파악하여 원래 모양으로 되돌아갈 수 있는지 확인해야 합니다. 이것이 다양한 종류의 금속의 전단 탄성 계수를 아는 것이 매우 중요한 이유입니다.

건축업자가 재료를 선택할 때 계수는 확인해야 할 매우 중요한 사항입니다. 전단 탄성 계수는 비틀림 힘, 즉 구조에 대한 비틀림 응력이 가해질 때 재료가 어떻게 작용하는지 나타냅니다. 높은 계수는 고체의 변형이 밀거나 당길 때 매우 작도록 합니다. 이것이 고체의 강성이 모든 건축 프로젝트에서 가장 큰 걱정거리인 이유입니다. 우리는 건물을 안전하게 유지하기 위해 전단력 하에서 변형률을 제어하고 싶습니다.

고분자의 전단 탄성 계수는 금속의 전단 탄성 계수와 어떻게 다른가요?

고분자는 금속과 매우 다르게 작용하기 때문에 매우 흥미롭습니다. 전단 탄성 계수에 대해 이야기할 때 그 차이는 엄청납니다. 표에서 보셨듯이 폴리카보네이트와 같은 고분자는 전단 탄성 계수가 1GPa 미만입니다. 이제 거의 80GPa인 강철에 대해 생각해 보세요! 이것은 고분자의 작은 부분이 더 약한 연결로 긴 사슬로 연결되어 있기 때문입니다. 금속에서는 연결이 훨씬 더 강합니다. 이것은 고분자를 금속만큼 유연하고 뻣뻣하지 않게 만듭니다.

이 낮은 전단 탄성 계수가 항상 나쁜 것은 아닙니다. 그것은 단지 고분자가 다른 작업에 적합하다는 것을 의미합니다. 플라스틱 병이나 나일론 로프에 대해 생각해 보세요. 그들은 낮은 계수 때문에 유연합니다. 그것이 그들을 유용하게 만드는 것입니다. 우리는 플라스틱 병이 강철 빔만큼 뻣뻣하기를 원하지 않습니다. 고분자의 계수는 파손되지 않고 모양을 많이 바꿀 수 있게 합니다. 이것은 일종의 탄성입니다. 이 재료의 반응은 우리가 매일 사용하는 많은 제품에 완벽합니다.

엔지니어는 이러한 다양한 전단 탄성 계수를 활용합니다. 그들이 매우 뻣뻣한 것이 필요하면 금속을 선택할 것입니다. 그들이 유연하고 충격을 흡수할 수 있는 것이 필요하면 종종 고분자를 사용할 것입니다. 선택은 모두 재료가 해야 할 일에 관한 것입니다. 고분자의 낮은 전단 탄성 계수는 전단력에 더 쉽게 영향을 받거나 전단에 더 취약하다는 것을 의미합니다. 그러나 이것은 종종 우리가 원하는 것입니다. 이러한 유형의 재료 간의 전단 탄성 계수의 큰 차이를 이해하는 것은 좋은 설계를 만드는 데 매우 중요합니다.

재료가 등방성이라고 말할 때 무슨 의미인가요?

때때로 사람들은 재료에 대해 이야기할 때 등방성이라는 단어를 들을 수 있습니다. 그것은 쉬운 개념이지만 중요합니다. 등방성 재료는 어느 방향에서 보거나 테스트하든 동일하고 동일하게 작용합니다. 강철의 단단한 블록에 대해 생각해 보세요. 위, 옆 또는 앞에서 전단 탄성 계수를 확인하면 매번 같은 숫자를 얻을 수 있습니다. 강철 및 알루미늄과 같은 대부분의 일반적인 금속은 등방성으로 간주됩니다.

모든 방향에서 동일하기 때문에 엔지니어에게 수학이 훨씬 간단합니다. 재료가 등방성이라는 것을 알면 전단 탄성 계수를 한 번만 찾으면 됩니다. 그 동일한 숫자는 힘이 재료를 어떻게 밀든 상관없이 작동합니다. 이것은 평면 전단 및 기타 까다로운 힘과 같은 것을 연구하는 것을 훨씬 쉽게 만듭니다.

그러나 모든 재료가 이런 방식은 아닙니다. 나무는 등방성이 아닌 재료의 좋은 예입니다. 그 강도는 나뭇결을 따라 테스트하는지 나뭇결을 가로질러 테스트하는지에 따라 다릅니다. 이러한 재료를 이방성이라고 하는데, 이는 강도가 방향에 따라 다르다는 것을 의미합니다. 등방성 재료의 경우 전단 탄성 계수와 영률을 포함하는 탄성 상수는 모든 방향에서 동일합니다. 이것은 그들이 응력을 받을 때 어떻게 작용할지 아는 것을 훨씬 쉽게 만듭니다.

압력과 온도가 재료의 전단 탄성 계수에 영향을 미칠 수 있나요?

재료가 작용하는 방식은 항상 동일하지 않습니다. 압력과 온도는 재료의 전단 탄성 계수를 실제로 변경할 수 있습니다. 일반적으로 재료를 가열하면 전단 탄성 계수가 낮아집니다. 금속 조각을 가열하는 것에 대해 생각해 보세요. 그것은 더 부드러워지고 구부리기 쉬워집니다. 이것은 열이 내부의 작은 입자를 더 많이 흔들리게 하기 때문입니다. 이것은 그들이 서로 미끄러지기 쉽게 만들고 재료를 덜 뻣뻣하게 만듭니다.

압력에서는 반대 현상이 발생합니다. 재료를 쥐어짜면 일반적으로 전단 탄성 계수가 올라갑니다. 높은 압력은 작은 입자를 더 가깝게 밀어냅니다. 이것은 그들이 움직이는 것을 더 어렵게 만듭니다. 이것은 지질학자와 같은 과학자에게 매우 중요합니다. 그들은 엄청난 압력과 온도가 있는 지구 내부 깊숙한 곳에서 암석이 어떻게 작용하는지 연구합니다.

이러한 변화는 재료에 대한 세부 사항이 종종 전단 탄성 계수를 측정할 때 사용된 압력과 온도를 알려주는 이유입니다. 정상적인 압력과 온도에서 대부분의 일상적인 작업의 경우 정상적인 값을 사용할 수 있습니다. 그러나 비행기를 만들거나 바다 깊숙이 들어가는 것과 같은 특별한 작업의 경우 주변 세계가 재료의 전단 탄성 계수를 어떻게 변경할지 생각해야 합니다. 계수는 바로 이러한 이유로 특정 조건에서 결정됩니다.

전단파란 무엇이며 전단 탄성률과는 어떻게 연결되어 있나요?

전단파의 개념은 전단 탄성 계수를 이해하는 좋은 방법입니다. S파라고도 하는 전단파는 고체를 통해 이동할 수 있는 일종의 파동입니다. 긴 로프를 위아래로 흔드는 것에 대해 생각해 보세요. 파동이 로프를 따라 이동하지만 로프 자체는 위아래로 움직일 뿐입니다. 그것은 파동이 움직이는 방향에 직각으로 움직입니다. 이것이 전단파가 고체를 통해 움직이는 방식입니다. 고체의 작은 부분은 앞뒤로 움직이지만 파동이 가는 방향과 같은 방향으로는 움직이지 않습니다.

여기에 연결이 있습니다. 전단파가 얼마나 빨리 움직이는지는 재료의 전단 탄성 계수와 크기에 대한 무게(밀도)에 직접적으로 연결됩니다. 재료가 더 높은 전단 탄성 계수를 가지고 있다면 전단파는 더 빨리 움직일 것입니다. 이것은 더 뻣뻣한 재료(더 높은 계수)가 더 빨리 되돌아오기 때문에 발생합니다. 이것은 파동의 에너지가 더 쉽게 통과할 수 있게 합니다. 이 사실은 지진을 연구하는 과학자, 즉 지진학자가 지구 내부 깊숙한 곳에 대해 배우기 위해 사용합니다. 지진 S파의 속도를 확인하여 우리 아래 멀리 있는 암석의 전단 탄성 계수에 대해 배울 수 있습니다.

이것은 전단 탄성 계수에 대한 우리의 지식을 사용하는 매우 현명한 방법입니다. 그것은 우리가 우리 행성 내부를 "볼" 수 있게 합니다. 그것은 이 간단한 계수가 페이지의 숫자에 불과한 것이 아니라는 것을 상기시켜 줍니다. 그것은 전단파가 움직이는 방식과 같은 실제 사물을 제어하는 실제 속성입니다. 액체는 전단 탄성 계수가 0이기 때문에 전단파를 가질 수 없습니다.

전단 탄성 계수와 영률의 차이점은 무엇인가요?

재료가 어떻게 작동하는지 배울 때 사람들은 때때로 영률과 전단 탄성 계수를 혼동합니다. 그들은 둘 다 탄성 계수의 유형입니다. 이것은 그들이 둘 다 재료가 얼마나 뻣뻣한지 측정한다는 것을 의미합니다. 그러나 그들은 우리에게 다른 종류의 밀고 당기는 힘에 대한 강성에 대해 알려줍니다. 계수와 전단 탄성 계수는 다른 작용을 설명합니다. 차이점을 설명해 드리겠습니다.

영률은 탄성 계수라고도 합니다. 그것은 재료가 얼마나 많이 찢어지거나 찌그러지는 것에 저항하는지 측정합니다. 그것은 인장력 또는 압축력과 관련이 있습니다. 이것은 한 방향으로만 당기거나 미는 힘입니다. 이것을 단축 응력이라고 합니다. 와이어를 당기면 영률은 스트레칭에 얼마나 저항하는지 측정하는 것입니다. 우리는 재료를 당기는 테스트를 수행하여 영률을 계산할 수 있습니다.

우리가 이야기했듯이 전단 탄성 계수는 재료가 전단 또는 비틀림에 얼마나 저항하는지 측정합니다. 그것은 힘이 재료의 표면을 따라 움직이는 전단 응력에 대한 재료의 반응을 설명합니다. 따라서 그들은 둘 다 강성을 측정합니다. 그러나 영률은 한 줄로 당기고 미는 것입니다. 전단 탄성 계수는 전단 및 비틀림에 대한 것입니다. 등방성 재료의 경우 이러한 두 계수는 포아송 비라고 하는 다른 측정값으로 연결됩니다.

전단 탄성 계수는 훅의 법칙과 어떻게 관련되나요?

마지막으로 전단 탄성 계수를 과학의 매우 기본적인 규칙인 훅의 법칙에 연결해 보겠습니다. 학교에서 훅의 법칙을 기억할 수 있습니다. 그 법칙은 스프링을 더 많이 늘릴수록 더 많은 힘이 필요하다고 말합니다. 더 넓은 방식으로 보면 훅의 법칙은 탄성 재료의 경우 응력의 양이 변형률의 양과 직접적으로 관련되어 있다고 알려줍니다.

전단 탄성 계수는 기본적으로 전단력에 사용하는 훅의 법칙의 특수 숫자입니다. 전단 탄성 계수 방정식(G = τ / γ)은 전단 응력과 전단 변형률에 사용하는 훅의 법칙의 버전일 뿐입니다. 그것은 선형 탄성 재료의 경우 전단 응력과 전단 변형률 사이의 연결이 그래프에서 직선을 만든다고 알려줍니다. 그 선의 가파름은 전단 탄성 계수입니다.

이것이 탄성의 개념이 우리의 대화에서 매우 중요했던 이유입니다. 전단 탄성 계수는 재료가 탄성일 때만 어떻게 작용하는지 알려줍니다. 이것은 힘이 사라진 후 이전 모양으로 돌아갈 영역에 있다는 것을 의미합니다. 너무 많은 전단력을 사용하고 재료가 영구적으로 구부러지면 훅의 법칙은 더 이상 작동하지 않습니다. 이 연결은 전단 탄성 계수가 재료가 변형되거나 모양이 변하는 방식의 기본 규칙에서 비롯된다는 것을 보여줍니다.

기억해야 할 주요 사항

• 전단 탄성 계수(또는 강성률)는 비틀거나 층을 미끄러지게 하려고 할 때 재료가 얼마나 뻣뻣한지 알려줍니다.
• 전단 응력(측면 힘)의 비율을 전단 변형률(모양이 변하는 정도)로 나누어 찾습니다.
• 높은 전단 탄성 계수는 강철과 같이 재료가 매우 뻣뻣하다는 것을 의미합니다. 낮은 전단 탄성 계수는 고무와 같이 유연하다는 것을 의미합니다.
• 주요 과학 SI 단위는 파스칼(Pa)이지만 계수에 대한 숫자가 매우 크기 때문에 종종 기가파스칼(GPa)을 사용합니다.
• 금속은 전단 탄성 계수가 매우 높기 때문에 물건을 만드는 데 좋습니다. 고분자는 계수가 훨씬 낮기 때문에 유연합니다.
• 전단 탄성 계수는 엔지니어가 안전하고 잘 작동하는 물건을 만들기 위해 올바른 재료를 선택하는 데 도움이 되는 매우 중요한 숫자입니다.