탄력성의 이해

물리학 및 재료 과학의 탄성은 왜곡을 유발하는 힘을 견디고 힘이 제거되면 원래 치수를 회복하는 신체의 능력을 나타냅니다. 충분한 하중이 가해지면 단단한 물체가 변형됩니다. 재료가 탄성이 있는 경우 무게가 제거된 후 물체는 원래 크기와 모양으로 돌아갑니다. 가소성과는 달리 이러한 일이 발생하지 않고 항목이 변형된 상태로 유지됩니다.

이 기사에서는 다음 질문에 대한 답변을 논의합니다.

• 탄력성이란 무엇입니까?
• 탄력성은 어떻게 작용하나요?
• 탄력성을 발견한 사람은 누구인가요?
• 탄력성이 유용한 이유는 무엇입니까?

탄력성이란 무엇입니까?

물리학 및 재료 과학의 탄성은 왜곡을 유발하는 힘을 견디고 힘이 제거되면 원래 치수를 회복하는 신체의 능력을 나타냅니다. 충분한 하중이 가해지면 단단한 물체가 변형됩니다. 재료가 탄성이 있는 경우 무게가 제거된 후 물체는 원래 크기와 모양으로 돌아갑니다. 가소성과는 달리 이러한 일이 발생하지 않고 항목이 변형된 상태로 유지됩니다.

다른 재료의 경우 탄성 거동의 근본적인 물리적 원인은 크게 다를 수 있습니다. 힘이 가해지면 금속의 원자 격자는 크기와 모양이 바뀝니다(시스템에 에너지가 추가됨). 힘이 제거되면 격자는 초기의 낮은 에너지 상태로 돌아갑니다. 힘이 가해질 때 폴리머 사슬이 늘어나는 것은 고무 및 기타 폴리머에 탄성을 부여하는 것입니다.

Hooke의 법칙에 따르면 거리가 아무리 멀더라도 탄성 물체를 변형시키는 데 사용되는 힘은 변형 거리에 정비례해야 합니다. 주어진 객체는 얼마나 심하게 변형되었는지에 관계없이 원래 모양으로 돌아갑니다. 이것을 완벽한 탄력성이라고 합니다.

이것은 단순히 이상적인 개념입니다. 실제로 대부분의 탄성 재료는 소성(영구) 변형을 겪기 전에 비교적 작은 변형까지만 순수한 탄성 속성을 유지합니다.

영률(Young's modulus), 벌크 모듈러스(bulk modulus) 또는 전단 모듈러스(shear modulus)라고도 하는 탄성률은 1단위의 변형률을 생성하는 데 필요한 응력의 양을 측정한 것입니다. 모듈러스가 높을수록 재료가 변형되기가 더 어렵다는 것을 나타냅니다.

파스칼은 이 계수의 SI 단위(Pa) 역할을 합니다. 소성 변형이 시작되기 전에 존재할 수 있는 가장 높은 장력을 재료의 탄성 한계 또는 항복 강도라고 합니다. 파스칼은 SI 등가물(Pa)이기도 합니다. 탄성 재료의 예로는 고무 밴드, 탄성 및 기타 신축성 재료가 있습니다. 반면에 모델링 점토는 다소 비탄력적이며 가해진 힘이 멈춘 후에도 변형된 형태를 유지합니다.

탄력성은 어떻게 작용합니까?

변형을 일으키는 힘이 해제되면 탄성 재료 본체는 이전 크기와 모양으로 되돌아갈 수 있습니다. 이 능력을 신체의 탄성 거동(또는 반응)이라고 합니다. 대부분의 고체 재료는 어느 정도의 탄성 거동을 나타내지만 각 재료에 대해 탄성 회복이 달성될 수 있는 힘과 수반되는 변형의 양에 한계가 있습니다.

영구 변형이 시작되기 전에 고체 재료 내에 존재할 수 있는 단위 면적당 가장 높은 응력 또는 힘을 탄성 한계라고 합니다. 탄성 한계 이상으로 응력이 가해지면 재료가 항복하거나 흐릅니다. 이러한 재료의 탄성 한계는 탄성에서 소성 거동으로의 전환을 나타냅니다. 탄성 한계 이상의 응력은 대부분의 취성 재료에서 거의 최소의 소성 변형으로 파괴를 일으킵니다.

탄성 한계는 고려되는 고체의 유형에 따라 크게 다릅니다. 예를 들어, 강철 막대나 와이어는 원래 길이의 약 1%만 탄성적으로 확장될 수 있지만 일부 고무 같은 재료로 만들어진 스트립의 경우 최대 1,000%의 탄성 확장이 가능합니다.

그러나 강철은 강철보다 고무가 최대 탄성 확장에 영향을 미치는 데 인장력이 덜 필요하기 때문에(약 0.01배) 강철이 고무보다 훨씬 더 강합니다. 장력이 있는 많은 고체는 이 두 극단 사이에 있는 탄성 특성을 가지고 있습니다.

강철과 고무는 미시적 구조가 크게 다르기 때문에 거시적 탄성 특성이 다릅니다. 재료에 응력이 가해지지 않을 때 원자를 규칙적인 패턴으로 유지하는 단거리 원자간 힘은 강철 및 기타 금속에 ​​유연성을 부여합니다.

원자 결합은 상대적으로 작은 변형으로 응력을 받으면 끊어질 수 있습니다. 반면에 고무 유사 물질 및 기타 고분자는 물질이 늘어나면서 풀리고 탄성 회복 중에 반동하는 장쇄 분자로 구성됩니다. 기본 메커니즘이 아니라 재료의 거시적 반응은 탄성에 대한 수학적 이론과 공학 역학에 대한 적용의 초점입니다.

인장 응력(재료 단면의 단위 면적당 인장 또는 인장력)과 신장비(확장된 길이와 초기 길이의 차이를 초기 길이로 나눈 값) 사이의 선형 관계, e, 단순하고 직접적인 인장 테스트는 강철 및 뼈와 같은 재료의 탄성 응답을 특성화합니다.

즉, 식 =Ee는 e에 비례한다는 것을 의미하고 비례상수 E는 영률이라고도 합니다. 고무와 강철에 대한 E 값의 비율은 재질에 따라 약 100,000입니다. 구성 법칙은 방정식 =Ee이며 Hooke의 법칙이라고도 합니다.

탄력성에 대해 자세히 알아보려면 아래 동영상을 시청하세요.

탄력성을 발견한 사람은 누구입니까?

우리는 일부 재료가 다른 재료보다 더 유연하고 다양한 방식으로 힘에 반응한다는 것을 항상 알고 있었지만, Robert Hooke는 탄력성을 논의할 때 염두에 두어야 할 중요한 이름입니다. 아이작 뉴턴(Isaac Newton)의 생애 동안 살았던 후크(Hooke)는 탄성이 어떻게 기능하는지 정확하게 계산하고 분석한 최초의 사람이었습니다.

스프링에 대한 광범위한 테스트를 통해 Hooke는 1660년에 Hooke의 법칙이라고도 알려진 탄성의 법칙을 발견했습니다. 이 법칙의 기본 원칙은 항목의 상대적으로 작은 변형(예:늘리거나 구부림)에 대해 변위 또는 변형량은 변형력 또는 하중에 정확히 비례합니다. 이러한 상황에서 하중이 제거되면 개체는 원래 크기와 모양으로 돌아갑니다.

초기 거동은 Hooke의 법칙에 따라 고체의 탄성 거동을 설명하는 데 사용할 수 있습니다. 재료가 탄성을 가지려면 구성 입자가 외력에 반응하여 내부에서 이동할 수 있어야 하며, Hooke의 법칙에 따르면 이 이동은 적용된 힘에 정비례해야 합니다.

더 큰 힘의 경우 탄성 한계가 자주 초과되어 힘이 정확히 비례하는 것보다 더 많은 변형을 일으킨다는 것을 의미하는 완벽한 법칙은 아니지만 Law Hooke의 법칙은 이제 막 주제를 연구하기 시작할 때 이해하는 것이 가장 중요합니다!

탄력성이 유용한 이유는 무엇입니까?

무언가를 만들어야 할 때마다 탄력성의 중요성을 인식해야 합니다. 결국 폭풍우에 무너질 정도로 딱딱한 구조를 만들거나 아무것도 측정하는 데 사용할 수 없을 정도로 유연한 자를 만드는 것은 아무 소용이 없습니다.

이 때문에 재료의 탄성 한계를 이해하는 것은 고층 빌딩처럼 작든 크든 물체를 만들거나 수리해야 하는 거의 모든 작업에 중요합니다. 이는 특히 차량 및 건물과 같은 경우에 해당됩니다.

다양한 출처에서 비롯될 수 있는 극도의 긴장을 겪을 때 우리는 이러한 것들에 의존하여 견고하게 유지되고 실패하지 않을 수 있어야 합니다. 특히 엔지니어의 경우 탄력성을 연구하는 것은 이러한 항목이 해를 견디는 데 얼마나 적합한지에 상당한 영향을 줄 수 있기 때문에 필수적입니다.

요약

Hooke의 법칙에 따르면 거리가 아무리 멀더라도 탄성 항목을 변형하는 데 사용되는 힘은 변형 거리에 정비례해야 합니다. 물리학 및 재료 과학의 탄성은 왜곡을 일으키는 힘을 견디고 힘이 제거되면 원래 치수를 회복하는 신체의 능력을 나타냅니다. 이것이 이 기사의 전부입니다. 여기에서 탄력성에 대한 답변은 다음과 같습니다.

• 탄력성이란 무엇입니까?
• 탄력성은 어떻게 작용하나요?
• 탄력성을 발견한 사람은 누구입니까?
• 탄력성이 왜 유용한가요?

독서를 통해 많은 것을 배우기를 바랍니다. 그렇다면 다른 사람들과도 공유해 주십시오. 읽어주셔서 감사합니다. 다음에 뵙겠습니다!