응력과 외력 (feat. 응력의 단위)

오늘은 응력(stress)의 개념 대해 정리해보고자 한다.

응력의 개념은 안전에 있어 매우 중요하기 때문에 반드시 짚고 넘어가야 하는 주제다.

내용이 방대해서 3개로 나눠서 정리를 해야겠다.

그 1편은 응력과 단위가 되겠다. (2편은 변형율, 3편은 허용응력과 안전율)

 

기계장치, 방호장치, 건설기계, 도구 등 사용되는 모든 제품들은 작용되는 외력과 안전율을 고려하여 설계된다. 그렇기 때문에 개념 정도는 기본적으로 알고 있어야 한다. 

(산업안전보건기준에 관한 규칙에 나와있는 안전율 또는 안전계수와 연관되어 있음)

 

 

1.     응력 (Stress)

우리는 일이 많을 때 “부하가 많다”는 말을 많이 하는데 이게 바로 응력이다. 그렇다면 “로드가 많이 찼다”라는 말은 무슨 뜻일까? 바로 외력(하중)이 많이 작용한다는 의미이다.

이게 무슨 말이냐하면 로드는 외부에서 나에게 가해진 업무량을 말하고 부하는 그 로드로 인해 내가 받는 스트레스를 뜻한다.

결국 재료의 관점에서 본다면 로드는 외력 또는 하중이고 내가 받는 부하는 응력(Stress)이 된다.

 

< 로드와 부하 >

< 외력과 응력 >

 

2.     외력이란

외력은 외부에서 재료에 작용하는 힘 또는 하중이다.

힘과 하중은 약간 다른데, 힘은 재료에 인위적으로 가해지는 것이고, 하중은 재료에 가해지는 자연적인 힘이다. 예를 들어 의자에 앉아있는 것은 하중이고 책상을 잡아끌거나 일부러 위에서 누른다면 이것은 힘이 된다.

 

그러나 힘과 하중은 같은 물리량이다. 힘은 질량과 가속도의 곱으로 나타낸다.

F(힘) =m(질량) x a(가속도)

 

우리가 흔히 몸무게를 60kg, 70kg으로 말하는데 이것은 몸무게(질량)에 중력가속도 9.8㎨을 생략한 것이다. 따라서 힘과 하중의 단위는 동일하다고 볼 수 있다.

(1kgf은 9.8kg∙㎨이고, 이것은 9.8N(뉴턴)으로 나타낸다.)

 

 

3.     응력이란

응력은 외력에 대해 재료 내부에서 발생하는 반대방향의 힘이다.

응력은 압력과 같은 물리량을 가지지만 개념이 서로 다르다.

압력은 재료의 표면에 작용하는 압축력을 뜻하고, 응력은 재료 내부에서 발생하는 반발력이다. 따라서, 압력은 압축하중이 작용할 때 재료 표면에서 발생하는 것이고 인장응력에서는 발생하지 않는다. 반면에 응력은 하중의 종류에 관계없이 발생한다.

 

< 압력과 응력 >

 

일반적인 경우 재료에 외력을 가하게 되면 내부에는 크기가 동일하고 방향이 반대인 응력이 발생한다. 그런데 재료에 과도한 외력을 가하게 되면 재료 내부에는 마찬가지로 과도한 응력이 발생하게 되고 이것이 재료가 가진 한계치를 넘어갈 경우 소성변형이 일어나거나 파괴된다.

 

응력은 외력의 방향에 따라 수직응력과 전단응력 등으로 구분할 수 있다.

수직응력은 응력의 작용면적과 응력의 작용방향이 수직으로 형성되는 것으로 압축응력과 인장응력으로 구분할 수 있다.

 

< 압축응력 vs 인장응력 vs 전단응력 >

응력은 힘(무게) / 면적으로 구할 수 있으며 단위는 Pa 또는 N/㎡으로 나타낸다.

(1Pa = 1kgf/㎡ = 9.8N/㎡)

 
 

[핵심 내용정리]

1.     외력은 재료 외부에서 작용한 힘이고 응력은 외력에 반발해 재료 내부에서 발생한 힘이다.

2.     응력은 N/㎡로 표기하며 인장, 압축, 전단 등으로 구분 가능하다.