한양 공대에서 배운 공학 지식들 Part2.

완충재가 보호재로 적합할까?

제품이 소비자에게 인도되기 까지 전과정에서, 포장담당 엔지니어들의 역할은 포장을 잘 하는 것이다. 제품이 있는 그대로 전달이 되어야 성공하는 것이다. 그래서 조사를 시행했다. 그 결과, 소비자에게 제품이 전달되는 과정에서 실수로 바닥에 떨어뜨릴 확률이 매우 낮다는 것과 제품이 손상될 만큼의 높은 높이에서 제품이 떨어질 가능성은 앞의 경우보다 더욱더 낮은 확률을 갖고 있음을 알아냈다.

 제품이 전달되는 과정에서 임의의 충격에 의해 제품이 파손될 가능성은 낮지만, 모든 제품들은 운반과정에서 크고 작은 진동을 받게 된다. 이때 잘못된 유형의 완충재를 사용할 경우, 자칫 진동이 더욱 증폭되어 제품에 전달될 위험이 있다. 충격에 민감한 제품이라면, 제품에 전달되는 진동이 혹여나 제품의 고유진동수(Natural Frequency)에 도달할 경우, 고장을 일으키기도 한다. 그렇기에 잘못 사용된 포장재 또는 완충재의 경우 내용물을 제대로 보호하지 못할 수 있다.

 

 

 

하나가 모여 큰 에너지가 되는 진동

수영 선수같은 경우 한 번씩 점프할 때 마다 널빤지에 에너지가 저장된다. 각각의 착지가 널빤지의 고유 진동수에 더해져 증폭되면, 더 높은 위치로의 도약이 가능해진다. 

 기타 줄을 튕겨 연주하는 것 처럼, 주요 구조부재들 같은 경우 수직 충격에 의해 진동하게 된다. 물체의 고유진동수 또는 공진주파수(resonant frequency)는 물체의 움직임이 하나의 사이클을 완성하는데(진동을 시작한 처음 위치로 되돌아오는데) 걸리는 시간을 의미하게 된다.

 아무튼 구조부재에 물체에 고유진동수와 일치하는 진동수의 힘이 주기적으로 가해진다면, 파동의 중첩이 생기게 되고, 매 사이클마다 진폭이 점차 커지게 된다. 이때 불안정한 진동으로 인해 윙윙거리며 큰 소음을 발생되는 것부터 때때로 발생하는 붕괴사고까지 그 효과의 범위는 다양하다. 비교적 작은 규모의 지진들도 그 파동주파수가 건물의 주파수와 일치한다면, 심각한 피해를 유발할 수 있다. 그 예로, 런던의 밀레니엄교 다리 흔들림 사고가 있다. 사람들이 한번에 대규모로 움직이다보니 이때 발생한 진동수로 인해 우연히도 다리 구조물의 진동수와 맞아 떨어지는 사건이 발생했다. 그 결과 다리가 흔들렸고, 구조물의 조화 공진을 더욱 증폭시키는 결과를 초래했다. 그리고 기념식이 끝난 이후 다리 이용은 잠시 제한되었고, 문제된 다리의 구조시스템은 보수되었다고 한다.

 

 

타코마 해협 현수교가 무너진 이유

강풍으로 인한 구조물의 자연 공명 증폭이 문제가 된 건 아니라고 한다. 정확한 원인 처음들어보는 단어일테지만, 공탄성 플러터라고 한다. 여기서 공탄성 플러터란, '공기의 흐름에 따른 진동 현상'으로서, Aeroelastic flutter 이라고 한다. 반복적인 비틀림 현상이라고 한다.

 

 

배터리가 사용하는 금속의 화학작용

부분 부식 전위열이란 표가 존재한다. 금속에 따른 반응성을 나타낸 표이다. 양극부터 음극까지 있다.

양극에서는 금속은 이동이 활발하다.

음극에서는 금속의 이동이 덜 활발해진다.

모든 금속의 표면에는 작지만 속박전자(bound selection)이 존재합니다. 서로 다른 2가지의 금속이 닿았을 경우, 각각의 원자들은 더 많은 전자들을 자신에게 끌어당기도록 경쟁을 하는데요. 귀금속(음극)일수록 활성금속(양극)으로부터 더 많은 전자를 끌어들이려고 하는 성질을 갖고 있습니다. 

 

* 부식관련 정의 및 자세한 설명

링크 : https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=ryhthm&logNo=17411949 

부식의 정의

 

 

 

부력의 크기

물속에 위치한 물체에 작용하는 부력의 크기는 물체가 밀어낸 물의 무게와 동일하다.

 

자동차의 양력

비행기가 나는 것을 본 적이 있는가? 비행기는 날기 위해 에어포일(Airfoil:익형-유선형이라고도 한다.) 형태의 날개 모양을 가질 필요는 없다. 

 

 

 

적절한 받음각(Angle of attack: 비행기의 절단한 면의 기준선과 기류가 이루는 각도) 을 가진 평평한 모양의 날개는 비행기가 이제 앞으로 나아가는 경우, 날개의 바로 윗부분에 저기압 지대를 형성하는데, 이것을 흔히 '양력' 을 발생시킨다 라고 표현한다. 하지만 다른 날개 모양과 비교할때, 에어포일 형태가 보다 적은 항력을 발생시키며, 가장 효율적으로 작용한다. 

 자동차의 경우엔, 세단 형태가 고속으로 113킬로 이상 가속중일때, 저기압 지대가 트렁크 윗부분을 통해 발생하게 된다.

 

 

지면 효과

경주용 자동차의 경우, 뒷부분에 리어 윙 장치를 답니다. 차량의 뒷부분에서 다운포스(Downforce: 차체를 노면 쪽으로 눌러주는 힘)를 발생시키며, 차량의 양력현상에 대응합니다. 이 장치 같은 경우, 자동차의 항력을 오히려 증가시키고 공기역학적 효율성을 감소시키는 역할을 수행합니다.

 영국의 발명가 중에 콜린 채프먼이 있습니다. 그는 날개로부터 영감을 얻어서 자동차에 적용시킬만한 대체품을 찾았고, 그 대체품을 모색해냈습니다. 바로 차량의 밑 부분에 앞바퀴에서 뒷바퀴에 이르는 공기 유동 채널입니다. 발명했다고 표현합니다. 채널의 윗부분은 반전된 형태의 에어포일과 비슷한 모양을 띄고 있습니다. 매우 낮은 그라운드 클리어런스(Ground Clearance: 지표로부터 크랭크시프트까지의 거리)와 사이드 스커트(Side skirt:자동차 도어 아랫부분의 공기 흐름을 원활하게 하기 위한 장치)의 조합은 차량 밑을 통과하는 공기를 더욱 좁은 부분으로 보내며 가속을 유발합니다. 

빠르게 이동하는 공기는 낮은 압력을 가지고 있습니다!

차량은 그로 인해 도로에서 빨려나가듯이 주행하게 되는 것입니다. 이것이 바로 지면 효과입니다. 

실제로 해당 효과는, 포뮬러 원경주에서 소개된 이후 곧바로 경기 규정사항이 될 정도로 확실한 효과를 입증했다고 볼 수 있습니다.

 하지만 상충되는 부분도 존재합니다. 바로 사고란 관련된 안전 문제입니다. 만일 지면 효과를 반영한 자동차의 경우 빠른 속도로 다른 물체와 충돌할 경우, 공기 유동 채널이 망가지게 되고, 이는 곧 치명적인 제어 결함을 유발하게 됩니다. 

 

비슷한 참고 자료 : (공기역학)

https://post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=7680701&memberNo=23315462 

왜 자동차 회사들은 사이드미러를 없애려고 할까?

 

회전(원형)교차로는 교차로 중 가장 안전하다

심지어 효율적입니다. 일반 교차로보다 (시속 80) 시속이 24-40까지 내려갈 수 있습니다. 그로 인해 사고 발생은 37 -> 80으로 감소하고, 상해 및 사망, 교통 정체가 획기적으로 감소하였습니다. 

 

 

마찰력은 방해하는 힘이지만, 구르게 하는 요소이기도 하다

물체에 가해지는 힘과 마찰저항 그래프를 보면 선형적이다, 끝 점에서 출발 상태에서 최대 마찰지점을 가고, 저항이 살짝 줄어든 상태에서 같은 마찰저항으로 물체가 움직이면서 받는 마찰은 일정하게 됩니다. 

마찰력이 크면 바퀴의 효율은 떨어지고, 더욱 많은 열이 발생합니다. 하지만 마찰력이 적다면, 바퀴는 더 자유롭고 효율적으로 움직입니다. 그렇다고 0인 마찰력인 경우, 정지 마찰력의 부재로 인해 바퀴 자체가 아예 구르지 않을 수 있습니다. 그 대신 표면에서 미끄러질 수 있습니다.

 

정확도와 정밀도

정확도는 공학에서 오류의 부재를 뜻합니다.

정밀도란 자세한 정도를 의미합니다.

효과적인 문제 해결을 위해서는 전체 과정에서 정확성이 필요합니다. 그리고 각각의 해결 과정 단계에서 필요한 것은 정밀도로서, 최적의 결과를 도출하기 위해 가장 중요한 열쇠가 되어줍니다. 

 

 

얻는 것과 잃는 것, 둘다 얻을 수 없다!!

빠른 핸들링을 얻기 위해서는 부드러운 승차감을 포기해야 합니다.

타이어를 골라보신분, 인치업을 해보신분이면 쉽게 공감하실 수 있는 내용입니다.

이외에도 경량 vs 내구성, 반응시간 vs 노이즈, 품질 vs 가격, 측정 속도 vs 측정의 정확성, 설계 시간 vs 설계 품질 등이 있습니다. 

사실 공학에서 좋은 설계를 정의하기 위해서는, 핵심을 알아야합니다. 모두를 만족시킬 수 없다. 

즉 좋은 공학적 설계란 모든 것을 만족시키는 것이 아닌, 적절한 타협점을 찾아, 여러 대안들을 최적화하는 것입니다.

 

 

삼각형은 가장 안정적인 도형

다른 직선도형들과 달리, 삼각형은 도형을 이루는 선과 각이 상호 의존적이다. 

다시 말해, 선 길이의 변화없이 각의 크기 변화가 일어날 수 없고, 그 반대도 마찬가지이다.

하지만 사각형은 아니다.(사각형 -> 평행사변형)

측면의 변화가 없는 대도, 각만 바꿈으로서 사각형이 평행사변형이 될 수 있다.

 

 

건물의 무게는 실제와 다를 수 있다.

건물 속 내용물들은 실제 건물의 무게보다 무거울 수 있다는 말이다. 

3가지 개념을 알아야 할 필요가 있다.

 

정하중은 Dead load 라고 불립니다. 건물 자체의 무게와 시간의 경과에도 변화하지 않는 하중을 의미합니다. 정하중은 구조물(빔, 기둥, 장선), 주요 건물 시스템(외벽, 창문, 지붕, 내부 인테리어), 영구적 건축 요소(계단, 칸막이, 바닥재) 그리고 기계 시스템(난방, 냉방, 배관 직입, 전기 시설) 등 모두를 포함하는 개념을 뜻합니다.

 

활하중은 Live load 라고 불립니다. 시간이 지남에 따라 변하는 하중을 의미합니다. 건물 자체를 제외한, 외부적 요인을 생각해보면 뭐가 있을까요? 사람이 있겠죠? 즉 사람이 건물에 들어오면 활하중(=내용물의 무게)가 증가했다고 생각할 수 있습니다. 그리고 가구 또는 차량, 바람, 지진, 눈과 같은 요인들을 추가적으로 생각해볼 수 있겠네요.

 

전하중은 Total load 라고 불립니다. 건물을 기반으로, 지면에 이제 가해지는 전체적인 하중을 의미합니다. 이때, 구조물의 기초에 작용하는 단위면적 당 전하중은 대지의 지내력, 즉 지반이 지지할 수 있는 최대 하중을 초과해서는 안 됩니다.

 

 

고층건물은 수직 형태의 커다란 'Cantilever Beam' 이다.

Cantilever Beam, 은 외팔보이다. 한쪽 끝은 고정되고 다른쪽 끝은 자유로운 들보를 의미한다. 

고층건물의 경우 주요 구조 설계 시 가장 고려해야 할 부분은 건물의 수직(중력)하중에 대한 항력보다도 바람이나 지진으로부터 전달되는 횡하중에 대한 항력이다. 

 

 

엔지니어들의 만약을 위한 준비성

안전율은 safety factors라고 불린다. 구조시스템에는 다양한 방법으로 안전율이 적용되어지고 있다. 모든 재료들은 주어진 하중에서 얼마나 늘어고 압축되는지, 재료가 파괴되기 전 최대 하중 허용치가 얼마인지 같은 각각의 형태적 특성을 파악하기 위한 실험을 한다. 이를 통해 여러 실험이 수행된다. 그 결과 설계 강도(Design Strength) 값을 얻게 된다

* 설계강도 : 구조 계산시 사용되는 추정 강도, 공사를 진행하는데 있어서 재료들을 선별하는 과정에서 도움이 된다

 콘트리트나 철과 같은 재료의 원료품들 같은 경우, 비교적 일정한 품질을 유지하고 있다. 낱개 규격별 변이도 적개 발생한다. 그러나 목재 빔 같은 경우를 떠올려보자. 어떤 나무는 병이 들었고, 어떤 나무는 심하게 건조되어 있고, 어떤 것은 구멍이 발견되기도 한다. 이러한 변칙성으로 인해, 나무 같은 경우 실제 설계 강도는 실험실 연구를 통해 밝혀진 것보다 더욱 낮게 설정하여 사용하고 있다.

 엔지니어들은 구조물을 보다 안전하게 설계하기 위해서 이 순간에도 고민하고 있다. 안전여유도(Safety margin) 을 확보하기 위해, 건물의 고정하중 및 활하중 규모를 실제 값보다 높게 추산하거나, 계산 하는 과정에서 반올림을 하여 실제 값보다 높은 값을 설정함으로서 설계 강도에 있어서 보다 안전한 재료를 선택하고 있다.

 하지만 앞에서 말했듯이, 높은 안전vs경제성 은 자본주의에서 어떤 기준을 고려한 합리적 선택을 할 것인지에 대한 생각거리를 던져준다. 아쉽게도 이번 광주 아이파크 사태에서는 잘못된 선택으로 인해, 많은 기회 비용이 사라지게 되었다. 

 

 

최고의 빔 형태란?

바로 I형 빔이다. 빔에 하중이 가해지면 빔은 휘게 된다.

빔의 윗부분은 줄어든다. 이것을 압축한다고 표현한다.

빔의 아랫부분은 늘어난다. 이것을 인장한다고 표현한다.

압축응력과 인장응력은 빔의 가장 윗부분과 가장 아랫부분에서 제일 크게 나타난다. 가운데로 향햘수록 적어진다. 중립축에서는 그 값은 0이 된다.

수직 방향으로 사용된 직사각형의 빔은 동일한 직사각형의 빔을 수평 방향(넓은 면적)으로 사용한 빔도다 더욱 효율적이다. 왜그럴까? 응력이 가장 높은 빔의 양 끝부분이 중립축으로부터 가장 먼 곳에 위치하며, 그 부분에 재료가 보다 높은 비율로 자리하고 있기 떄문이다.

다시 말해, 가장 효율적인 빔의 형태 같은 경우, 가장 많은 응력이 가해지는 부분을 봐야한다. 빔의 가장 윗부분과 아랫부분이다. 여기에는 더욱 많은 재료들이 응집된 형태를 띠고 있다. 이와 같은 이유로, I 형 모양의 빔이 가장 효율적인 형태의 빔이라고 할 수 있다. 

 

 

빔 총정리

1. 캔틸레버 사용하기

빔은 단순히 지지대가 아닌, 주요 경간(또는 배면 경간)을 위로 받쳐주는 역할을 수행한다.

1/3 크기로도 캔틸레버는 동일한 두께를 가진 빔이랑 동일한 무게를 지탱할 수 있다.

 

2. 점하중을 분산하중으로 전환하기

빔은 한 곳에 하중이 집중하여 힘이 가해지면, 여러 지점에 하중이 분산되어 있는 경우에 보다 잘 힘에 대해 버틸 수 있다. 이때 주요 경간의 가운데 지점에 가해지는 점하중을 경간의 끝 부분으로 옮기는 방법 또한 도움이 된다. 특히 건물의 높은 위치에서 하중이 가해지는 경우, 그 하중을 떠받치는 빔의 크기를 줄이기 위해 이와 같은 방법으로 하중을 재분배하기도 한다.

 

3. 트러스 구조 이용하기

트러스는 일반 빔과 비교해 재료를 절약할 수도 있지만, 대신 긴 구조로 설계해야할 가능성은 높다.

 

4. 구멍 내기

I형 빔의 경우, 재료에 구멍을 냄으로써 다양한 하중조건에서 재료들을 절약할 수 있다. 빔을 더욱 가볍게 만들 뿐만 아니라, 해당 부분에 배관, 파이프, 전선들의 연결통 역할을 수행한다.

 

 

콘크리트와 물

둘은 시멘트의 화학작용을 통해 점점 단단해진다. 콘크리트를 틀에 부은 후, 오랫동안 젖은 상태로 놔두게 된다면, 화학작용이 지속적으로 유지된다. 표면은 안쪽 부분부터 마르기 시작하여, 콘크리트가 갈라지는 것을 방지할 수 있다. 콘크리트 건축물에 대한 설계를 계산해야하는 경우, 보통 평균적으로 약 28일 정도의 양생과정을 거치고 난 후의 콘크리트 강도를 기준으로 삼는다. 하지만 많은 양의 콘크리트를 만들 경우라면, 최대 강도를 얻는 것은 힘들 수 있다. 수십 년까지 걸릴 수 있다.