한양 공대에서 배운 공학 지식들 Part1.

오늘부터 새롭게 시작할 포스팅은 한마디로 '개념정리'이다.

 

지금껏 배운 개념들, 책 속에서 나온 상식들을 총 집합하면서 생각을 정리하는 컨텐츠이다.

 

잡다한 것 같아 보여도, 계속 쓰다보면 하나의 줄기가 완성될거라 믿어 의심치 않는다. 

 

그럼 시작하도록 하겠다.

 

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공학 = 블랙박스

전공공부에서 얻은 지식, 과정, 그리고 작업 가설들은 검은색 개념 상자이며, 설게과정에서 블랙박스 분석과정을 통해 얻은 해당 분야의 산출 값은 다른 분야의 입력 값으로 쓰인다.

예를들어, 연료장치를 담당한 엔지니어의 '연료장치 블랙박스' 모델 같은 경우 산출된 결과가 변속장치를 담당하는 엔지니어에게 전달되어 서로 다른 분야의 설계 모델에 사용되기도 한다. 거미줄 처럼 얽혀 있으며, 새로운 설계에서 시작인 프로토타입부터 목표를 정하고 계속해서 생산되는 산출 물들이 이리 저리 섞일 수 있다.

 

 

공학의 토대는 '토목공학'

초기 로마제국에서는 군사공학이랑 동의어가 '토목공학'이었다고 한다. 일례로 초기 미국 육군 사관학교 학생들로부터 주요 도로, 철도, 다리, 항만시설 과 같은 것들을 포함하여 초기 미국 사회 대부분의 공공시설물들을 설계하였다고 한다.

 

토목 공학(3000BC)

군사(1000BC)

기계(1700AD)

전기 , 재료 , 환경(1800AD)

화학(1900AD)

항공,우주산업

컴퓨터,원자력, 생화학(1950AD)

생물의학(2000AD)

 

 

공학의 핵심은 계산이 아닌 문제 해결

계산은 문제를 해결하기 위한 객관적인 측정 가능 방법을 제시하는 수많은 유용한 수단중에 하나일뿐, 핵심은 '문제 해결'이다.

 

 

모든 문제는 익숙한 원리 기반에 바탕을 두고 있다

대부분의 공학적 문제의 경우 역학, 물리학, 수리학의 '연결 고리'를 가지고 있다. 

예를 들어, 경사로 위의 블록은 무게라는 중력을 받으며, 중력은 성분 벡터로 쪼갤수 있으며, 자유 물체도를 그렸을때, 하나의 블록은 질점으로 표기되어 4가지의 벡터를 가지는데, 각각 운동 방향의 무게, 그리고 운동 방향의 무게에 반대로 향하는 마찰력, 그리고 질점 위로 향하는 수직항력, 그리고 법선 방향의 무게이다.

 

 

모든 문제는 특별한 것이다

모든 공학적 문제는 익숙한 개념에 기반을 두고 있다. 그리고 미래에 어떤 문제가 다가오고 있다면, 대비를 해야하는데, 이때 추천하는 방법으로는 지금까지 쌓아온 문제 해결 능력에 기존에 있는 문제 해결 방법에다가 나만의 방법을 추가하는 것이다. 핵심은 새로운 문제를 해결하기 위해 기존의 방법을 발견하고 터득하는 과정과 함께 나만의 방법을 추가하는 경험이다.

 

 

큰 문제는 작은 문제를 쪼개면서 하나씩 해결해나갈 수 있다.

예를들어, 압력 손실 문제가 있다고 가정해보자.

1자의 직관이 존재한다. 마찰게수는 약 1.7m 이며, 약 30m당 받는 마찰계수라고 가정해보자. 그렇다면 실제 도로 밑에 지나다니는 배수로나 가스배선관들은 복잡한 구조로 얽혀 있을 것이다. 여러 선들이 교차하고, 지면에 따라 피해야할 장해물이 있을 수도 있기 떄문이다. 그렇다면, 압력 손실 문제를 계산할때 어떠한 파이프도 직관의 등가 길이로 구성 성분을 나눌 있다. 즉 변환 과정을 거친다음에, 단순화하여 계산할 수 있다. ( PVC파이프에 분당 3.8리터의 초기 유속을 가정한다면 말이다.)

 

 

힘은 벡터에 의하여 시각적 표현이 가능하다

하나의 단일 힘 벡터가 수직 수평과는 다른 방향으로 있다고 하자. 그렇다면 이를 x성분, y성분으로 2차원 적으로 쪼개서 볼 수 있다. 그리고 3D 이면 z축을 고려할 수 있다.

모든 사람은 kg이나, 파운트, 뉴턴 단위의 측정된 크기를 가지고 있다.

그리고 지구 중심 방향으로 향하는 중력 벡터를 가지고 있다.

어떤 단일 벡터도 합성이나 분해를 통해서 한 개 이상의 구성 요소를 가진 벡터로 전환이 가능하며, 그 반대의 경우도 가능하다.

 

 

물체에 외부 힘이 가해지면, 외력에 저항하려는 '응력'과 '변형'이 일어난다.

이때 여러 용어들이 나오는데, 응력, 변형률, 하중이다.

응력이란, 2가지 종류가 있으며 압력과 장력이 있다. 압력은 suppress라고 생각하면 편하다. 크기가 작아질 수 있다. 외부에서 안쪽으로 들어오는 힘을 뜻한다. 반대로 장력은 lengthen이라고 생각하면 편리하다. 크기가 커질 수 있다. 길이가 늘어나는 경우이다.

다시말해, 응력이란 물체에 작용하는 외부의 힘에 대응하여, 물체 내에 생기는 내부 저항력이라고 정의할 수 있다. 응력을 표현하기 위해서는, '단위 면적 당 작용하는 하중'이라고 표현한다. PSI (Pounds per squeare inch : 1제곱인치당 가해지는 1파운드의 압력) 과 같은 단위로 표기한다.

변형률이란, 응력으로 인해 발생하는 것이다. 길이의 변화와 같이 측정 가능한 변화율 또는 물체의 모양에 대한 변화량을 의미한다.

하중이란, 외부로부터 가해지는 물리량에 의해 물체의 속도, 방향, 모양을 변형시키는 원인이 되는 것을 말한다. 그 예로 잠수함 같은 경우 수압이 있으며, 다리에 가해지는 적설하중, 그리고 고층건물에 측면으로 작용하는 풍력 하중을 예로 들 수 있다.

 

 

물체에 힘이 가해지면, 3가지 변수가 발생한다

첫번째, 정지 상태를 유지한다.

두번째, 움직인다.

세번쨰, 형태가 바뀐다.

그리고 다음 3가지 현상이 복합적으로 일어날 수 있다. 

기계공학에서는 주로 설계 대상이 있으면, 움직임에 중점을 두고 공부한다. 그리고 이를 극대화시키는 개발이 이뤄진다. 하지만 구조공학 같은 경우에는 설계 대상의 움직임을 예방하거나 최소화하려는 개발이 이뤄지는 공학 학문이다. 그렇기 때문에 공학은 각기 다른 성격을 띠고 있으며, 이런 세밀한 디테일을 알아야한다.

대부분의 공학 기술 분야 같은 경우 구조공학과 마찬가지로 설계 대상의 형태 변화를 최소화하는 것을 목표로 하고 있다. (자동차를 오래쓰는데, 부품이 변형되면 안전에 큰 리스크를 주니깐?) 

 

 

고정된 물체에 가해지는 힘이 증가할 시(3가지 변수 生)

첫번째, 비례 연신율 이다. (연신율은 Elongation, 인장시험과 시료를 생각하면 된다)

철제 막대가 있다고 가정해보자. 물체를 잡아 당긴다면(=인장력), 처음에 가해지는 힘에 비례하여 물체에 변형이 일어난다. 그리고 하중 x가 막대에 d의 변형을 유발하면, 2x 만큼의 하중은 2d, 3x 만큼의 하중은 3d 처럼 비례한 하중만큼의 비례한 변형이 일어난다. 이때 힘을 제거하면, 즉 하중이 제거된다면, 막대는 원래 크기로 돌아간다. 

핵심은 '돌아간다' 와 '비례'이다.

 

둘째, 비례하지 않은 연신율이다.

하중이 계속해서 가해지면, 어떤 특정 지점에 다가가게 된다. 물체 마다 고유의 물성치가 있기 때문에 특정 지점은 물체마다 다른 특징을 가지게 된다. 이때 특정 지점을 넘어서면, 하중이 증가하는 비율보다 더 큰 비율로 변형이 일어난다. 예를들어, 5x 만큼의 하중이 가해지면 10d 만큼의 변형이 일어나게 되는 것이다. 그리고 물체에 가해지는 하중을 제거해도, 변형이 된 재료는 원래 상태로 돌아갈 수 없어지게 된다.

 

셋째, 연성이다.

물체에 계속해서 하중이 증가하면서 가해진다면, 물체는 육안으로도 파악 가능한 형태의 변형이 일어나게 되고, 이는 곧 균열을 야기한다.

 

고체역학 & 재료역학 - 재료의 4가지 주요 특성

재료의 첫번째 특성 : 강성과 탄성

재료에 하중이 가해짐에 따라 늘어나거나 줄어드는데, 이와 관련된 성질이다. 강성은 하중이 가해짐에 따라 물체의 길이 변화에 대하여 재료가 저항하려고 하는 성질이다. 즉 강성이 높다는 것은 아무리 외부에서 힘을 가한다 한들, 재료가 변하지 않는 것이다. 탄탄한 차량은 강성이 좋은 차량이다 라고 하는 말이 괜히 나온 말은 아니다. 또한 탄성은 외력에 의해 변형된 물체가 원래의 크기와 모양으로 되돌아가려는 성질이다. 강성 같은 경우 '탄성계수'를 통해 측정이 가능한 지표이다. 탄성 계수는 어떻게 구하는 것인가 하면, 응력과 변형을 알아야한다. 여기서 응력-변형 그래프에서 y축이 응력이고 x축이 변형인데, 물체에 힘이 가해지면 -> 변형이 생기고(x축 : 원인) -> 응력이 발생한다(y축 :결과) , 여기서 직선 부분의 기울기가 바로 탄성 계수이다. 작은 변형에도 큰 응력이 생기는 것은 탄성계수가 높다는 것이고, 작은 변형에도 큰 응력이 생기지 않는 것은 작은 탄성 계수를 갖고 있다는 말이 된다.

 즉, 기울기가 높다면 적은 변형을 주기 위해서 큰 힘이 필요하다는 의미가 된다. 다시 말해, 기울기가 높다 -> 재료가 더욱 단단한 성질을 갖고 있다 라고 해석할 수 있다.

 

재료의 두번째 특성 : 강도

강도란 재료가 견딜 수 있는 하중에 대한 측정량이다. 재료의 극한강도라는 말을 들어보았다면, 극한 강도란 주로 압축보다는 인장시험으로 측정하는데, 응력-변형 그래프에서 가장 높은 지점이 바로 극한 강도 값이라고 볼 수 있다.

 

재료의 세번째 특성 : 연성과 취성

재료에 계속해서 힘을 주게되면, 결국 파괴가 된다. 연성과 취성은 바로, 재료가 파괴되기 전까지 물체에 나타나는 변형이나 늘어남의 정도를 뜻한다. 높은 연성을 갖고 있다는 것은, 응력-변형 그래프에서 x축과 그래프 사이에 있는 영역의 넓이라고 생각하면 편하다. 다시말해, 높은 연성을 갖고 있다는 것은, 응력-변형 그래프에서 넓은 파이를 가지고 있다는 것이고, 이는 재료가 엿가락처럼 휘어지는 성질을 더 가질 수 있는 가능성을 보여준다. 왜냐하면 연성이 높은 것은 x 축인 변형 값이 크다는 것인데, 큰 힘을 주어도 파괴가 되지 않기 때문에, 엿가락 같이 늘어나는 물체를 생각하면 편하다. 반면에 높은 취성을 가지고 있는 재료란, y축이 크다는 것인데, 이는 분필과 같이 쉽게 파단되는 재료를 의미한다. 여기서 극한 강도를 고려해서 그래프를 살펴보면, 재료가 취성이 높은 경우, 극한 강도에서 응력-변형 그래프가 갑자기 끊기는 형태를 띠게 된다.

 

재료의 네번째 특성 : 인성

재료가 파단되는 점에 도달하기 까지 재료에 가해지는 외부의 에너지에 대한 전체적인 측정량을 의미한다. 위에서 언급한 x축과 그래프가 이루는 넓은 파이라고 언급한 개념이 바로 인성이다. '에너지' 와 '넓이'를 생각하면 편하다. 밑면적을 의미한다.

 

 

건축 공학과 기계공학, 재료공학 관점에서 바라본 재료의 성질 : 철과 콘크리트 (feat. 광주 현대산업개발 붕괴사건)

 

재료란, 영원히 그 성질을 유지하기 힘들다. 따라서 시간이 지남에 따라 그 특성(내구성, 모양, 크기, 탄성) 또는 주변 환경인 대기 조건의 변화에 따라서 다양한 형태로 늘어나거나 줄어들게 된다. 이때 비슷한 성질을 가진 서로 다른 재료들은 결합이 가능하다.

예를 들어, 철과 콘크리트가 있다. 두 재료는 유사한 열팽창계수를 갖고 있다. 그래서 이 두 재료로 구성된 보강 콘크리트 빔을 사용하는 것이다. 하지만 만약 두 재료가 서로 다른 열팽창계수를 갖고 있었다면, 어떻게 되었을까? 바로 일상적인 온도 변화에도 쉽게 자체 분해되었을 것이다. 그만큼 열팽창계수는 중요한 성질로서, 재료와 재료 사이간에 결합을 용이하게 하거나 어렵게 할 수 있다.

대부분의 재료는 서로 대립을 하는 성질을 가지고 있다. 재료들은 서로 맞닿은 부분에서 대게 더 많은 전자를 갖기 위해 경쟁한다. 화학 시간에 배운 안정한 구조를 갖추기 위해 2가, 3가, 등 최외각전자를 채우려고한다. 그런 과정 속에서 부식이 생기기도 하며(흔히 말하는 녹슨다, rusting 되고 있다) 여러 화학 반응이 발생하게 된다. 재료의 모양과 크기는 주어진 환경에서 온도, 습도, 기압에 따라 각각 다른 비율로 점차 변화한다. 변화에 대해 재료는 이에 대한 반응으로 닳아서 일부 소실되거나, 부서지거나, 혹은 그대로 상태를 유지하는 것으로 반응하게 된다. 비행기 바퀴와 타이어의 결합부분을 예로 들자면, 바퀴와 타이어의 서로 다른 구성 재료는 온도와 기압의 급격한 변화 또는 항공기에 실리는 일반적인 적재량에 따라 각각 다르게 반응하게 된다. 그렇기 때문에, 비행기 바퀴와 타이어는 설계에서 주변 온도와 기압의 변화 그리고 항공기의 무게를 고려하여 설계되어야 한다. 

하나의 시스템이 부품의 전반적인 물리적 성질을 고려하여 설계된 경우, 비로소 해당 재료들의 완벽한 상호 관계가 유지될 수 있다. 물론 시간이 지남에 따라서, 재료의 성질은 변하는 것은 기본 전제 베이스이긴하다.

 

 

단단한 재료가 오래갈까?

혹시 모넬 금속이라고 들어보았을까? Monel Metal이라고 불리며, 국제 니켈 회사의 등록 상표이기도 한 모넬 금속은 1905년 첫 개발이래로 구리가 일정부분 들어간 니켈 계 합금을 의미하고 있다. 이떄 구리는 29에서 33 퍼센트를 함유하고 있다. 합금이라 하였으므로, 이때 들어가는 다른 물질로는 철, 망간, 탄소 및 실리콘이 있다. 모넬 금속은 순수한 니켈보다 강하다고 알려졌으며, 염수에 노출되면 모양이 변할 수 있지만, 부식에 강하다고 알려져 있다. 마감재로 사용되고 있으며, 고온 및 냉간 가공으로 쉽게 제작할 수 있다고 한다. 가공이 쉬우니, 용접 및 납땜, 그리고 땜질에도 쉽게 사용 가능한 재료라고 하며, 1940년대까지만 해도 다양한 산업 분야에서 가장 인기 금속 중 하나였지만, 1950년 더 매력적인 '스테인리스 스틸'이 등장하고서 대체되었다. 그래도 아직까지 모넬 금속은 시트, 판, 막대, 바, 튜브 등의 형태로 시판되어지고 있다.

다시말해, 모넬 금속은 니켈, 구리, 철이 들어가서 단단한 성질을 갖고 있는 합금으로서 매우 강한 내식성을 갖고 있다. 그래서 습식(액체) 공정의 사용에도 유리하다. 부식이 생기지 않기 때문이다. 부식에 강하다는 이유로, 1915년 모넬의 우수성을 바탕으로 배의 선체가 모넬 금속을 기반으로 제작되어 졌지만, 길이 66m의 너비 10m 에 달하는 중형배('Sea Call')은 짧은 항해만 하고 퇴역할 수 밖에 없었다. 왜냐하면 선체는 전혀 손실되지 않았지만, 배의 철골 구조물이 바닷물 속에서 모넬 금속의 전해 반응으로 입수와 동시에 변질되었기 때문이다.

이떄 전해 반응이란, 산화 환원 반응을 통칭하는 말로서, 양극에서 전자를 잃고, 양전하가 증가하는 현상인(산화) / 양극으로 금속 니켈... 설명하자니, 오래전 내용이라 정확히 표현하기가 힘들다. 그래서 간단히 요약하자면, 모넬 금속이 화학 반응을 통해 전자를 이동시켰는데 이것이 철골 구조물과 화학 반응을 하면서, 철골 구조물의 성질이 바뀌면서, 설계한 대로의 재료의 성질(강성, 변형률) 등이 약해졌기에 항해에 부적합이 된 것으로 이해하면 편할 것이다.