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고전역학 Classical Mechanics |
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Elastic limit
물리학의 법칙이자 용어.
1. 개요
모든 물체는 정해진 탄성의 한계가 존재하며 그 한계를 넘는 힘이 가해질 경우 그 물체가 지닌 탄성의 힘은 소멸된다는 물리학 법칙.2. 상세
외부의 힘에 의해 변형된 물체가 그 힘을 없애면 본래의 형태로 되돌아가는 힘의 범위를 말하며 탄성한도라고도 한다. 외부의 힘을 받아 생긴 변형이 탄성한계를 넘어서면 외부의 힘을 없애더라도 완전히 본래 상태로 되돌아가지 않고 변형된 상태로 남게 되며 이를 소성변형이라고 한다.탄성한계는 탄성한도(彈性限度)라고도 한다. 물체에 외부의 힘을 가하면 물체가 변형되고, 어느 정도까지 외부의 힘을 가한 뒤 그 힘을 없애면 물체는 본래의 형태를 다시 회복하게 된다. 예를 들어 스프링과 고무는 길게 당기면 후크의 법칙에 의해 단위 힘당 일정한 길이만큼 늘어나지만, 힘을 더이상 가하지 않으면 본래의 길이로 되돌아간다. 이와 같이 본래의 형태로 되돌아가려는 성질(반발력)을 탄성(탄력성, Elasticity)이라 하고, 이와 같은 변형을 탄성변형(Elastic Deformation)이라고 한다.
외부의 힘을 받아 물체가 변형되면, 물체 내부에서는 외부의 힘에 저항하여 본래 상태로 되돌아가려는 힘( 응력, Stress)이 생긴다. 이 때 외부의 힘이 탄성변형의 힘보다 작으면 외부의 힘과 그것에 저항하는 응력은 비례하는데, 그 한계를 탄성한계라고 한다. 그러나 외부의 힘을 받아 생긴 변형이 탄성한계를 넘어서면 외부의 힘을 없애더라도 완전히 본래 상태로 되돌아가지 않고 변형된 상태로 남게 된다. 이와 같이 외부의 힘을 없애도 본래 상태를 회복하지 못하는 영구변형을 소성변형(塑性變形, Plastic Deformation)이라고 한다.
물체의 탄성한계점을 정하기 위해서는 외부의 힘을 조금씩 크게 하면서 힘을 가했다가 없애는 작업을 되풀이하여 물체에 처음으로 영구변형이 생기는 점을 찾아야 한다. 이때 응력이 집중되는 모서리나 가장자리 주변 등에서 피로 파괴가 일어날 수 있으므로 응력이 한 곳에 집중되지 않게 주의해야 한다.
일상 생활에서 탄성의 한계를 체험할 수 있는 수단으로는 고무줄과 금속 자, 용수철(스프링)이 있다. 고무줄의 경우 일정 길이 미만으로 늘어날 정도의 힘(인장력, Tensile stress[1])만 가하면 탄성에 의해 원래 길이로 되돌아가지만, 탄성 한계를 넘어선 힘을 가하면 힘을 빼도 원래 길이로 되돌아가지 않는, 일명 늘어지는 현상이 발생한다. 간혹 늘어지는걸 넘어 끊어지기도 한다. 금속 자를 구부릴 경우 구부리는 방향 바깥쪽으로 역시 인장력이 발생하는데, 구부리는 정도가 지나쳐서 인장력이 탄성 한계를 넘어서면 자에서 힘을 빼도 원래의 평면 모양으로 되돌아가지 않고 영구적으로 구부러지게 된다. 용수철의 경우도 마찬가지로 일정 길이 이상으로 길게 잡아당겼다가 놓을 경우, 길이가 줄어는들지만 원래의 길이로는 되돌아가지 못하게 된다. 궁금하다면 잉크가 다되거나 해서 사용할 수 없는 펜 중에서 용수철이 들어간 펜을 분해하여 나오는 작은 스프링으로 실험해보자.