"왜?"라는 질문으로 상식에 한 발 가까이 다가갑니다.

공학플러스 Why 29

강도와 경도의 차이점 비교 (기계 재료의 기계적 성질)

기계 재료에 인장력, 압축력, 전단력, 굽힘, 비틀림 등을 가하면 재료는 크던 작던 변형이 발생하게 되고, 여러 가지 성질들이 나타나게 됩니다. 그 성질들을 기계적 성질(mechanical property)이라고 하고, 강도, 경도, 인성, 취성, 연성, 전성, 크리프, 연신율, 피로, 항복점 등이 있죠. 그중에서 강도와 경도에 대해 알아보고 그 차이점을 비교해봅니다. 강도와 경도의 차이점은? ∇ 강도(strength)는 외부에서 하중이 주어졌을 때, 재료가 파단이 되기까지 견디는 정도를 뜻하는 말입니다. 여기서 파단이란, 재료가 파괴되어 두 부분 이상으로 나뉘는 것을 말하는데요. 즉, 강도는 재료가 파괴되기까지 버티는 변형 저항이자 저항력을 나타냅니다. 외부 힘이 어떤 형태로 가해지느냐에 따라 강도는 ..

유압작동유의 점도가 높거나 낮을 때 발생하는 문제점과 원인 정리

유압기기의 사용 목적인 동력 전달을 위해서는 꼭 필요한 것이 유압작동유입니다. 윤활유라고도 하죠. 작동유는 유체이고 기름이기 때문에 온도와 점도가 중요한데요. 유압유의 구비 조건에서, 점도는 유압 장치에 알맞은 적절한 수준이어야 한다는 것을 확인하였습니다. 실제로 점도가 지나치게 높거나 낮을 경우, 유압 기계에는 문제가 발생할 수 있답니다. 점도가 높을 경우 발생하는 문제들 ∇ 유동 저항이 증가하기 때문에 압력 손실이 커집니다. 점도가 높다는 것은 곧 끈적끈적하다는 것을 뜻하는데요. 유압 장치는 동력 전달을 위해 윤활유 속에서 움직이는 구동부가 있죠? 윤활유가 많이 끈적거린다면 그 속에 있는 구동부의 움직임을 방해하게 됩니다. 구동 장치의 움직임에 거스르는 힘이 작용하는 것이지요. 유동 저항이 커짐에 따..

[열역학 법칙] 열역학 제0법칙이란 무엇인가?

열역학은 제0법칙부터 제3법칙까지, 총 4가지 법칙을 근간으로 둔 학문입니다. 제1법칙과 제2법칙은 19세기 중반, 제3법칙은 20세기 초반에 발견된 반면 제0법칙은 오히려 가장 늦은 1930년대에 제시되었는데요. 그럼에도 불구하고 가장 순서가 앞선 0법칙이 된 이유는 그만큼 열역학의 기본 출발점이 되는 원리를 서술하고 있기 때문입니다. 열역학 제 0법칙 : 열평형의 법칙 열평형의 법칙이라고도 불리는 열역학 제0법칙(the zeroth law of thermodynamics)은 서로 다른 두 계 A와 B가 각각 또 다른 계 C와 열적 평형상태를 이룬다면, A와 B는 서로 열적 평형상태에 있다는 법칙입니다. 여기서 두 계간 열적 평형상태는 열평형(thermal equilibrium)을 뜻하는 말입니다. 열..

파스칼의 원리(Pascal's Principle) 증명해보기

밀폐된 관 속 유체의 한 지점에 압력을 가하면 그 유체의 다른 모든 지점에서 압력이 동일하다는 것이 바로 파스칼의 원리였습니다. 파스칼의 원리는 간단하게 증명할 수 있습니다. 유체 속 삼각기둥만으로 파스칼의 원리를 증명할 수 있다? 밑면과 윗면이 삼각형이고 높이가 h인 삼각기둥이 정지 상태의 유체 속에 있다고 가정합니다. 삼각기둥의 옆면은 사각형 3면으로 이루어져 있죠? 윗면 또는 밑면의 모서리의 길이를 각각 a, b, c라고 한다면, 옆면 사각형의 면적은 각각 ah, bh, ch가 되겠습니다. 유체 속의 각 면은 면 양쪽의 유체로부터 접선 방향과 법선 방향의 힘이 가해지게 되는데요. 여기서 접선이란 면과 접하는 직선을 뜻하고 법선이란 접선과 수직인, 즉 면과 수직인 직선을 뜻한답니다. 지금 가정처럼 유..

유압장치의 작동원리! 파스칼의 원리(Pascal's Principle) 설명과 예시

유체의 압력에너지를 힘이나 동력과 같은 기계적 일로 변환시켜주는 장치를 유압장치(hydraulic system)라고 합니다. 유압장치는 실제 우리네 주변에서 다양한 형태로 접할 수 있는데요. 수압기, 각종 유압기계, 자동차 브레이크, 유압잭 등 다양한 방면에서 사용하고 있답니다. 이러한 유압장치가 작동할 수 있는 원리는 바로 파스칼의 원리로부터 출발하고 있습니다. 유체압력 전달원리인 파스칼의 원리 파스칼의 원리(Pascal's Principle)에서 파스칼은 사람 이름인데요. 프랑스의 수학자이자 물리학자로 유명한 파스칼이 17세기에 발견한 원리이기 때문에 파스칼의 원리라고 부릅니다. 파스칼의 원리란, 밀폐된 용기 속에 있는 비압축성 액체에 압력을 가하면 이 압력은 모든 방향, 모든 면에 동일한 크기로 작..

수소연료전지와 열기관(Heat Engine)의 차이점을 비교해보자

열기관(Heat Engine)은 열에너지를 역학적 에너지(기계적 에너지)로 변환할 수 있는 원동기를 뜻합니다. 자동차 엔진, 증기기관 등이 이에 해당되는데요. 열기관은 전지의 개념인 배터리와 수소연료전지(fuel cell)와는 다른 형태의 에너지 변환 장치랍니다. 배터리와 수소연료전지의 차이점에 대해서는 아래의 포스팅을 참고하시면 되겠습니다. 수소연료전지와 배터리의 차이점을 비교해보자 배터리(battery)는 1차 전지와 2차 전지가 있고, 연료전지(fuel cell)는 3차 전지라 불리지요. 1차 전지는 충전이 불가능한 배터리를 의미하며 2차 전지는 충전하여 재사용할 수 있는 배터리를 뜻하는 adtcs-w.tistory.com 열기관과 수소연료전지의 공통점은? 열기관과 수소연료전지는 화학에너지를 전기에..

열량의 정의를 알아보고 다양한 열량 단위 환산해보기 (cal, kcal, Btu, J, Wh, erg)

열량(calorie)은 학문에서도, 일상에서도 많이 접하는 단어로서 '에너지'와 혼용해서 쓰고 있는데요. 열량이란, 물체가 주고받은 열의 양으로 정의하기 때문에 실제로 열에너지의 많고 적음을 표현할 때 사용하는 용어입니다. 열량이란 무엇인가? 앞서 언급했듯이, 열량은 물질에 가해진 또는 물체가 가한 열의 양으로 정의하며, 에너지와 같습니다. 이는 곧 열량을 역학적 일이나 다른 기타 에너지들과 환산 및 변환할 수 있다는 것을 의미합니다. 즉, 열량을 다른 에너지들과 공통된 에너지 단위로 환산하여 계산할 수 있다는 것이죠. 열량은 영어로 'calorie'라고 표현하기도 하지만, 역학에서는 'Quantity of heat'이라고 많이 표현합니다. 기호는 주로 알파벳 Q를 많이 사용하죠. 지난번, 비열(spec..

비열의 정의와 공식, 열용량과의 차이 이해하기 (실생활 예시 사례 포함)

비열(specific heat)을 열용량(heat capacity)과 혼동하는 경우를 많이 볼 수 있습니다. 정의 뿐만 아니라 공식과 기호에서조차 서로 유사한 부분이 많기 때문인 것 같은데요. 비열과 열용량의 차이를 이해하기 전에, 비열은 'Specific'이 붙었기 때문에 어떤 종량적 상태량을 질량으로 나눈 상태량인 것을 눈치챌 수 있겠습니다. 이와 관련해서는 기존의 '물질의 성질들 : 밀도, 비체적, 비중, 비중량' 포스팅의 더 알아보기 내용에 언급되어 있습니다. 필요하다면 아래 링크에서 확인할 수 있겠습니다. 물질의 성질들 : 밀도, 비체적, 비중, 비중량 유체역학이나 열역학, 또는 화학을 공부한다면 기본적으로 알고 있어야 할 물질의 여러 성질들이 있습니다. 대표적으로 밀도(density), 비체적..

압력의 종류와 단위 변환 방법! 표준대기압, 국소대기압, 게이지압력, 진공압력, 절대압력

압력(pressure)은 단위 면적에 수직으로 작용하는 힘을 의미하는 물리량입니다. 수식으로 표현하면 수직 힘을 면적으로 나눈 형태인 p=F/A가 됩니다. 여기서 p는 압력, A는 힘이 가해지는 작용면, F는 면에 수직으로 작용하는 힘이죠. 압력은 단위도 다양하고 종류 역시 다양합니다. 압력의 단위와 변환 방법 알아보기 압력의 정의에 의해서 가장 기본적인 단위는 힘의 단위 나누기 면적의 단위인 N/㎡입니다. 이 단위는 별도로 Pa(파스칼)이라는 단위로 표현되며, 국제단위계에서 압력의 단위로 채택하고 있습니다. 일기예보에서 흔히 들을 수 있는 헥토파스칼(hPa)이라는 것이 바로 파스칼 단위에 접두어를 붙인 것이죠. 파스칼은 보통 기계적인 힘을 계산할 때 사용됩니다. 그리고 대기압의 경우는 주로 atm이라는..

주물을 만드는 공정! 주조(casting)의 장점과 단점 알아보기

주조(casting)는 기본적으로 용융된 재료를 주형에 주입하여 응고시켜 원하는 형상의 제품을 제조하는 방법입니다. 주조를 통해 만들어지는 제품은 정말 다양한데요. 주조 과정으로 만들어진 제품은 완제품일 수도 있지만, 압연이나 압출 같은 또 다른 가공을 하기 위한 소재가 되는 경우도 있습니다. 주조 공정의 장점 ∇ 형상과 치수가 같은 물건을 대량으로 생산할 수 있다는 장점이 있습니다. 주조 과정 자체가 하나의 틀에 액상의 재료를 넣고 굳히고 제거하는 과정을 반복하여 생산하는 방식이기 때문이지요. 주형의 동일한 틀(cavity)에서 생산된 제품은 형상과 치수가 동일합니다. 물론, 주형이 제대로 관리될 때의 이야기이죠. ∇ 대량생산이 가능하기 때문에 가공비의 절감을 기대할 수 있습니다. 다만, 주형 (일반적..

목형의 장점과 단점 및 목형 재료의 필요 조건은?

주조(casting)는 형틀에 액체 상태의 재료를 부어 채운 다음, 굳혀서 그 틀의 형상을 가진 제품을 만드는 방법인데요. 여기서 제품 형상의 틀을 주형(mold)이라고 합니다. 그리고 이 주형을 만들기 위해서는 모형(pattern)을 제작해야 하죠. 모형이란 주조될 제품의 원형으로, 주조를 통해 제품을 생산해내기 위해 제품의 형상을 지닌 모형을 가지고 주형을 만들게 되는 것입니다. 즉, 모형을 사용해서 주형(mold)을 제작한 뒤 모형을 제거하여 생기는 그 빈 공간을 활용하는 것이 주조(casting)입니다. 이때 모형은 여러 가지 재료로 제작할 수 있는데요. 목재, 금속, 플라스틱, 파라핀 왁스 등 여러 재료를 사용할 수 있으며 각각의 장단점이 다 다릅니다. 그렇지만 일반적으로는 목재를 많이 사용하게..

온도의 종류와 단위 변환 방법! 섭씨 온도, 화씨 온도, 켈빈 온도, 랭킨 온도

온도(temperature)는 차갑고 뜨거운 정도를 표현하는 물리량입니다. 온도의 종류로는 섭씨 온도, 화씨 온도, 절대 온도(켈빈 온도, 랭킨 온도)가 있지요. 섭씨 온도와 화씨 온도의 눈금은 물의 어는점(ice point)과 끓는점(steam point)을 기준 값으로 설정하여 등분한 것입니다. 일상에서 자주 접하고 쉽게 확인할 수 있는 것이 물의 어는점과 끓는점이지요? 이러한 물의 특이성을 이용하여 온도 눈금(scale)을 표현하게 된 것이 지금 우리가 사용하고 있는 온도 단위들입니다. 섭씨 온도와 화씨 온도의 비교 및 단위 변환식 ∇ 섭씨 온도는 우리네 일상 생활에서 사용 되어지고 있는 온도로, SI 단위계(SI Unit System) 상의 물리량입니다. 표준 대기압 상태에서의 물(water)의 ..

유체역학의 기초 개념! 유체의 종류 분류하기

유체(fluid)와 관련된 공부를 하다 보면, '비압축성 유체'나 '뉴턴 유체', '점성 유체'와 같은 굉장히 다양한 유체들이 등장하죠. 이러한 용어들은 특정 기준에 따라 유체들을 구분지어 놓은 것인데요. 이번에는 각종 유체의 종류들을 종합하여 정리해보았습니다. 압축성 유체와 비압축성 유체 비교 유체가 압축 가능한지를 기준으로 압축성 유체와 비압축성 유체로 구분합니다. ∇ 압축성 유체(compressible fluid)는 압력 변화에 대해 발생하는 밀도(density)와 비중량, 체적 같은 변수의 변화를 무시할 수 없는 유체를 뜻합니다. 용어만 보고 간단하게 생각하자면 압축 가능한 유체를 말하는 것이지만, 사실 가압이든 감압이든 상관없이 압력에 의해 부피가 변하는 유체를 뜻합니다. 부피(체적)가 변하니까..

유체역학 기초 정리! 유체의 정의와 성질 알아보기

유체(fluid)는 일정한 형체 없이 자유롭게 변형 가능하면서 흐를 수 있는 물질을 뜻하는데요. 액체(liquid)와 기체(gas)뿐 아니라 플라즈마(plasma)까지 포괄하는 개념입니다. 유체의 유동에 대해 탐구하는 유체역학에서는 유체를 보다 공학적으로 정의하게 됩니다. 유체역학에서는 유체(fluid)를 어떤 크기의 전단 응력(shear stress)이나 외부 힘(external force)이 작용할 때, 연속적으로 변형하는 물질로 정의합니다. 유체의 특징 ∇ 고체(solid)와 비교했을 때, 분자 사이의 거리(분자 공간)이 큽니다. 이 말은 즉, 유체 분자간 거리가 분자 직경과 비교했을 때 월등히 크다는 것을 내포하고 있습니다. 분자간 거리가 큰 것은 유체가 유체만의 특징들을 가지게 되는 근본적인 원..

유압작동유 일반! 유압유의 구비 조건과 그 이유는?

유압기기에는 유압유가 필연적으로 사용되는데, 아무 유(oil)나 사용하는 것은 아닙니다. 유압 장치가 유압기기로써의 기본 성능을 제대로 발휘하는 것뿐만 아니라 신뢰성 측면까지 만족할 수 있도록 적합한 유압작동유를 사용해야 하겠습니다. 유압작동유의 필요 조건 ∇ 비압축성(incompressibility) 유체여야 합니다. 만약 유압기기에 압축성 유체를 사용한다면, 그 오일은 압력에 의해 압축되기 때문에 힘(동력)을 제대로 전달할 수 없겠죠? 즉, 유압장치의 효율 면에서 동력 전달의 확실성이 요구되기 때문에 유압작동유로 비압축성 유체를 사용합니다. 더군다나 비압축성 유체를 사용함으로써 동력의 손실을 줄이기 때문에 유압기기로 정확한 위치와 속도를 제어할 수 있지요. ∇ 녹이나 부식이 발생하지 않아야 합니다. ..

상태함수(점함수)와 경로함수를 비교, 구분하는 방법 알아보기

물질의 상태가 변화할 때, 여러 물리량들은 점함수와 경로함수로 구분할 수 있습니다. 구분 기준은 해당 물리량이 변화의 경로(path)에 의존하는지의 여부인데요. 두 함수를 구분하기 위해서는 과정과 경로의 뜻을 먼저 이해할 필요가 있습니다. 과정(process)이란, 어떤 계(system)가 한 평형 상태에서 다른 평형 상태로 가는 어떠한 변화를 뜻합니다. 그리고 경로(path)는 그 과정 중, 시스템이 지나는 상태의 연속을 의미한답니다. 상태함수(점함수)는 무엇인가? 점함수(point function)는 상태함수(state function)라고도 합니다. 어떤 물질이 상태 1에서 상태 2로 변화할 때, 변화의 경로(path) 또는 과정(process)과는 관계없이 시작점(상태 1)과 끝점(상태 2)만 알..

물질의 성질들 : 밀도, 비체적, 비중, 비중량

유체역학이나 열역학, 또는 화학을 공부한다면 기본적으로 알고 있어야 할 물질의 여러 성질들이 있습니다. 대표적으로 밀도(density), 비체적(specific volume), 비중(specific gravity), 비중량(specific weight) 등이 있지요. 밀도란 무엇인가? 밀도(density)는 물질의 단위 체적(부피) 당 질량으로 정의되고, 비질량(specific mass)이라고 표현하기도 합니다. 어떤 물질의 질량이 m, 부피가 V인 경우, 수식으로는 밀도(ρ)=질량(m)/부피(V)로 나타내죠. 때문에 국제단위계에서의 단위는 kg/㎥ 입니다. 다만 이 단위로는 밀도 값이 보통 한 두 자리로 나오기 때문에 g/㎤ 단위도 많이 사용합니다. 또는 단위 변환을 통해 다른 단위로 쓰기도 하지요. ..

정역학 개론! 기초 용어 알아보기 : 벡터, 스칼라, 질점, 강체, 변형체, 모멘트

정역학(statics)은 정적평형상태를 유지하고 있는 시스템에 작용하고 있는 힘(force)과 모멘트(moment)를 다루는 학문입니다. 일반적으로 고체역학(또는 재료역학)을 배우기 전에 먼저 배우게 되는데요. 계에 작용하는 힘과 물체의 변형을 일으키는 힘을 다루는 고체역학의 첫 출발점이 바로 정적해석이기 때문입니다. 정적이지 않고 변형되는 경우가 훨씬 어려운 문제이기 때문에 상대적으로 쉬운 정역학을 먼저 공부하는 것이죠. 정역학을 논하기 위해서는 기본적으로 다음의 여러 용어들에 대해 이해하고 있어야할 필요가 있습니다. 벡터와 스칼라라는 무엇이 다를까? 벡터(vector)와 스칼라(scalar)는 물리학이나 공학, 기하학 등 여러 학문에서 사용하는 물리량을 표현하는 방법들인데요. ∇ 벡터는 크기와 방향성..

수소연료전지와 배터리의 차이점을 비교해보자

배터리(battery)는 1차 전지와 2차 전지가 있고, 연료전지(fuel cell)는 3차 전지라 불리지요. 1차 전지는 충전이 불가능한 배터리를 의미하며 2차 전지는 충전하여 재사용할 수 있는 배터리를 뜻하는데요. 연료전지와 배터리의 공통점과 차이점을 비교하려면 각각의 구조를 간단하게라도 이해하고 있어야 합니다. 때문에 대표적인 2차 전지인 리튬이온전지와 수소연료전지의 구조를 먼저 확인해보도록 하겠습니다. 리튬이온전지(배터리)와 수소연료전지의 구조 알아보기 ∇ 리튬이온전지(lithium-ion battery)는 충전할 때와 방전할 때 전자와 양이온의 이동이 상이한데요. 우선 리튬이온 전지를 충전할 때를 생각해 볼까요? 충전을 위해 외부에서 전기가 가해지면 양극에 물려있는 리튬 금속이 리튬이온과 전자로..

기계재료학 개요! 합금의 정의와 일반적인 성질 알아보기

합금(alloy)은 주 금속에 한 가지 이상의 다른 원소를 첨가하여 기계적 성질을 향상한 금속 물질입니다. 기존의 순금속에 다른 물질을 섞었기 때문에 기존 금속과는 다른 특성을 보여주지요. 이때 섞는 다른 물질은 꼭 금속일 필요는 없답니다. 합금을 사용하는 이유는 무엇일까? 굳이 순금속에 다른 물질을 섞어 합금을 만드는 이유는 기계적 성질에서 이득을 얻기 위함입니다. 합금은 기존 금속이 가지는 성질을 증대하여 개량하거나, 또는 부족한 특성을 보완하여 향상된 모습을 보여주는데요. 동시에 그 가격이 낮아지는 경우도 있습니다. 합금은 엄청나게 종류가 많으며, 일반적으로 많이 알려진 합금으로는 청동(bronze)과 황동(brass), 두랄루민(duralumin), 아말감(amalgam) 등이 있습니다. 이런 합..