Stress   응력, 변형력

1. 응력 (변형력) (Stress, σ) 이란?

  ※ 가해진 힘은, 물체 내부에 응력으로 분포되며, 이는 물체의 변형을 일으킴

  ㅇ 응력은, 물체가 어떻게 힘을 느끼는가를 나타내는 물리량 임
     - 즉, 물체의 한 요소가 그 주위 요소로부터 어떻게 힘을 받는가를 말함
        . 결국, 물체 내 작용하는 (변형을 일으키는) 힘의 분포

  ㅇ 구체적으로, 물체 내 한 점을 지나는, 특정 평면에 작용하는, 내력의 세기
     - 만일, 외력에 저항하는 내력이, 
     - 내부 단면(평면)에 균일하다고 가정할 때,
     - 그 총합은, 외력과 같아지며,
     - 이때의 단위 면적 당 내력을, 응력(변형력) 이라고 정의함  


2. 응력 (변형력)의 정의 

  ㅇ 정의
     - 물체에 변형을 일으키는 `단위 면적당 힘(변형력)` 
     - 또는, 하중에 의해 재료 내부에 생기는 `저항력(내력)`
        . 그에 견뎌내는 내력(耐力) 즉,`단위면적당 저항력`
     
     * 한편, 물체 내부의 한 점에서는,
        . 변형 외력(外力)과 변형 내력(內力)이 같음 (즉, 구분이 안됨)

  ㅇ 표현식 및 단위
     - σ (변형력) = (외력) / (단면적) 
                   = F / A   [N/㎡ = Pa] 또는 [N/㎟ = MPa(파스칼)]


3. 응력 (변형력)의 파라미터화

  ※ 기계공학에서는, 응력(변형력)을,
     - 재질(재료 물성)과는 관계 없이,
        . 즉, 독립적으로, 마치 압력과 유사하게,
     - 단지 `하중(F,힘)`과 `형상(A,면적)`에 의해서 만 정의하여,
        . 물체 내 힘의 분포에 대한 정보를 알 수 있게 함으로써,
     - 기계 구조물의 구조 형상 설계에 특화된, 
        . 매우 유용한 파라미터로 삼을 수 있게 함


4. 응력 (변형력)의 경험 관계식

  ㅇ (탄성한계 내에서)  응력 또는 변형력 (Stress) ∝ 변형 (Deformation)
     - 변형력을 제거하면 원래의 크기,모양으로 되돌아감 

  ㅇ (탄성한계 내에서)  응력과 변형률 사이에 선형 관계를 갖음
     - (응력 또는 변형력 σ)  =  (탄성계수 E) x (변형률 ε : 단위 길이 당 치수 변화) [N/㎡]
        


5. 응력, 변형률, 탄성계수의 서로다른 의존성

  ㅇ 응력(변형력)  :  변형을 느끼는 단위 면적 당 힘/내력  (재료의 구성에 의존)
  ㅇ 변형률        :  변형량과 원래 치수와의 무 차원 比   (재료의 변형에 의존)
  ㅇ 탄성계수      :  탄성 변형에 저항하는 재료의 성질    (재료의 물성에 의존)
         

6. 응력의 구분

  ※ ☞ 응력 구분 참조
     - 수직 응력 / 법선 응력(Normal Stres) / 축 응력(Axial Stress)  σn
     - 수평 응력 / 접선 응력(Tangential Stress) / 전단 응력(Shear Stress)  σt
     - (인장 시험시) 공칭 응력, 참 응력

  ㅇ 허용 응력 (allowable stress)
     - 안전 사용을 위해, 허용 가능한 (예상되는) 최대 응력
        . 특정 재료, 특정 구조물 등에 대해 설정됨

     * 만일, 응력(스트레스)이 허용 응력을 상회하면, 고장 등 발생 가능


7. 응력의 묘사

  ㅇ 물체 내의 한 점에서의 응력 상태를 정밀하게 기술하려면,
    - 해당 점을 지나는 가상의 면(재료 요소면)을 설정하고,
    - 그 면에 작용하는 단위 면적당 힘의 크기로 나타낸 응력 고려 필요

  ㅇ 통상, 3차원 공간에서 한 점의 응력 상태는,
    - 직교하는 세 면(x, y, z 방향의 면)에 작용하는,
    - 총 6개의 독립적인 응력 성분(3개의 수직 응력 + 3개의 전단 응력)으로 완전히 표현 가능
       . 수직응력 (normal stress) : σx, σy, σz
       . 전단응력 (shear stress) : τ, τ, τ

  ㅇ 이들 응력 성분은 대칭적인 2차원 텐서(응력 텐서, stress tensor)로 표현되며,
    - 응력 텐서는 물체 내의 각 점에서의 응력 상태를 수학적으로 정량화하고,
    - 물리적으로는 외력에 대한 재료의 국부적인 저항 상태를 나타냄