재료를 연구하는 학문
재료 역학(材料力學, 영어: mechanics of materials 또는 strength of materials)은 기계, 건축물, 다리 따위의 구조물을 이루는 재료의 역학적 성질을 연구하는 학문입니다. 고체역학(Solid mechanics)이라고도 불리는 개념으로, 고체 재료의 강도와 역학적 움직임을 다루는 학문입니다. 건축물, 교량, 기계부품, 압축용기 등 뼈대를 형성하고 힘을 지탱하는 구조물은 모두 재료역학의 대상이 됩니다. 구조물의 안전한 설계에 있어서 핵심이 되는 거동 해석을 위해 필요한, 구조물 및 그 부재들에 작용하는 하중에 따른 응력, 변형과 변형률을 결정하는 것이 주목적입니다. 고체의 거동, 응력과 변형률, 탄성, 소성, 강도, 연성, 인성, 피로, 크리프 등을 다룹니다.
재료역학의 주요 개념
1. 응력(Stress)
- 정의: 단위 면적당 작용하는 힘
- 종류:
• 수직응력 (Normal stress)
• 전단응력 (Shear stress)
- 단위: Pa (파스칼) 또는 N/m²
2. 변형률(Strain)
- 정의: 물체의 변형 정도를 나타내는 무차원 양
- 종류:
• 수직변형률 (Normal strain)
• 전단변형률 (Shear strain)
3. 후크의 법칙(Hooke's Law)
- 탄성 영역에서 응력과 변형률 간의 선형 관계
- σ = E * ε (σ: 응력, E: 탄성계수, ε: 변형률)
4. 탄성계수(Elastic Modulus)
- 영률(Young's Modulus): 축방향 변형에 대한 재료의 저항
- 전단탄성계수(Shear Modulus): 전단 변형에 대한 저항
- 체적탄성계수(Bulk Modulus): 체적 변화에 대한 저항
5. 포아송 비(Poisson's Ratio)
- 축방향 변형에 따른 횡방향 변형의 비율
6. 항복강도(Yield Strength)
- 재료가 영구 변형을 시작하는 응력 수준
7. 극한강도(Ultimate Strength)
- 재료가 파괴되기 직전의 최대 응력
8. 피로(Fatigue)
- 반복적인 하중으로 인한 재료의 점진적 파괴
9. 크리프(Creep)
- 일정한 응력 하에서 시간에 따른 재료의 변형
10. 파괴역학(Fracture Mechanics)
- 균열의 발생과 전파를 연구
11. 모멘트와 전단력(Moment and Shear Force)
- 구조물 내부에 발생하는 힘과 모멘트 분석
12. 보의 처짐(Beam Deflection)
- 하중에 의한 보의 변형 계산
13. 좌굴(Buckling)
- 압축력을 받는 구조물의 불안정성
14. 열응력(Thermal Stress)
- 온도 변화로 인한 내부 응력 발생
15. 복합재료(Composite Materials)
- 두 가지 이상의 재료를 조합한 새로운 물성의 재료
재료역학의 활용 분야
1. 건축공학
- 건물 구조 설계 및 안전성 평가
- 지진에 대한 내진 설계
- 고층 건물의 풍하중 분석
- 교량, 터널, 댐 등 대형 구조물 설계
2. 기계공학
- 기계 부품 및 시스템 설계
- 자동차, 항공기, 선박 등의 구조 분석
- 로봇 및 자동화 시스템 개발
- 정밀 기계 및 측정 장비 설계
3. 항공우주공학
- 항공기 및 우주선 구조 설계
- 로켓 엔진 및 추진 시스템 개발
- 우주 구조물(예: 인공위성, 우주정거장) 설계
4. 자동차 공학
- 차체 및 섀시 설계
- 충돌 안전성 분석
- 서스펜션 및 제동 시스템 개발
- 경량화 소재 적용 및 최적화
5. 조선해양공학
- 선박 구조 설계 및 분석
- 해양 플랫폼 및 해저 구조물 개발
- 파도와 조류에 의한 하중 분석
6. 에너지 산업
- 풍력 터빈 블레이드 설계
- 태양광 패널 구조 최적화
- 원자력 발전소 안전성 평가
- 파이프라인 및 압력용기 설계
7. 생체역학
- 인공 관절 및 보철 설계
- 의료 기기 개발
- 스포츠 장비 최적화
- 인체 조직 및 뼈의 역학적 특성 연구
8. 재료 과학
- 신소재 개발 및 특성 분석
- 나노 재료의 역학적 특성 연구
- 복합재료 설계 및 최적화
9. 지질공학
- 지반 안정성 평가
- 광산 및 터널 설계
- 석유 및 가스 시추 구조물 설계
10. 전자 산업
- 반도체 칩 및 전자 부품의 열응력 분석
- 디스플레이 패널 구조 설계
- 전자기기 케이스 및 하우징 설계
11. 환경공학
- 폐기물 처리 시설 설계
- 오염 제어 장비 개발
- 재활용 시스템 최적화
12. 안전공학
- 산업 안전 장비 설계
- 위험 평가 및 예방 시스템 개발
- 재난 대비 구조물 설계
13. 스포츠 공학
- 운동 장비 및 보호구 설계
- 경기장 및 스포츠 시설 구조 분석
14. 국방 산업
- 군사 장비 및 차량 설계
- 방어 시스템 및 구조물 개발
- 탄도학 및 충격 해석
15. 3D 프린팅 및 적층 제조
- 프린팅된 부품의 강도 및 내구성 분석
- 새로운 프린팅 재료 개발 및 특성 평가