답변 내역

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.복합재료에서 힘을 실제로 버티는 건 섬유예요. 탄소섬유는 강철보다 강한데 기지재인 수지는 그 보다 훨씬 약하거든요. 그런데 외부에서 들어온 힘은 먼저 기지재에 걸리고, 계면을 통해 섬유로 전달 돼요. 접착이 부실하면 힘이 섬유까지 못가고 기지재만 찢어져요. 아무리 강한 섬유를 넣어도 힘이 전달되지 않으면 놀고 있는 셈이라, 계면은 힘을 넘겨주는 다리 역할인거죠.접착이 약할 때 벌어지는 일이 섬유뽑힘이에요. 힘을 받으면 섬유가 끊어지는 게 아니라 수지에서 쑥 빠져버리는 건데, 젖은 모래에 꽂은 막대가 힘없이 뽑히는 것과 같아요. 섬유가 제 강도를 발휘하기 전에 재료가 망가지는 거죠. 층층이 쌓은 구조에서는 계면을 따라 층이 벌어지는 박리도 일어나요.그래서 실제 생산에서는 섬유 표면에 사이징이라는 접착 촉진 처리를 하고, 표면을 살짝 거칠게 하거나 화학적으로 활성화해서 수지와 잘 붙에 만들어요. 재미있는 건 접착이 무조건 강하다고 좋은 것도 아니라는 점이에요. 적당히 조절된 계면은 균열이 올 때 살짝 벗겨지면서 에너지를 흡수해 재료 전체가 한 번에 쪼개지는 걸 막아주거든요. 복합재료 설계에서 계면을 보이지 않는 제 3의 재료라고 부르는 이유도 이런 것 때문이죠 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.액체 금속의 표면장력은 물보다 훨씬 강해요. 표면장력은 액체 내부 원자들이 서로 끌어당기는 힘에서 나오는데, 내부 원자는 사방에서 당겨져 안정적이지만 표면 원자는 바깥쪽에 이웃이 없어 에너지가 높은 상태거든요. 그래서 액체는 표면적을 최대한 줄이려 하고, 그 결과가 구형으로 뭉치려는 경향이에요. 녹은 강철의 표면장력은 물의 스무배 가까이 돼서 이 뭉침이 훨씬 강하게 나타나요. 연잎 위 물방울이 또르르 구르는 것보다 더 야무지게 방울 지는 셈이죠. 용접에서는 이게 양날의 검인데, 뭉치려는 성질 덕에 녹은 금속이 흘러내리지 않고 용접 부위에 머물러서 천장을 보고 하는 위보기 용접도 가능해요. 그런데 너무 강하게 뭉치면 모재에 넓게 퍼지며 붙어야 할 금속이 볼록한 비드로 솟기만 하고 접합이 얕아져요. 젖음성이 나쁘다고 하는 상태예요.그래서 실무에서는 표면 장력을 조절하는 게 기술이에요. 온도를 올리면 표면장력이 줄어 잘 펴지고, 보호가스 조성이나 플럭스 성분에 따라서도 달라져요. 표면의 산화막을 플럭스가 걷어내면 젖음 성이 확 좋아지거든요. 용접 비드가 예쁘게 나왔다는 건 이 힘들의 균형을 잘 잡았다는 거죠 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.유리가 깨지느 원인은 컵 안팎의 온도 차이가 만드는 내부 힘이에요 뜨거운 물이 닿은 안쪽 면은 순간적으로 데워져 팽창하려 하는데, 유리는 열을 잘 전달하지 못해서 바깥 면은 아직 차가운 상태 그대로 예요. 안족은 늘어나려 하고 바깥은 버티고 있으니 유리 내부에 서로 잡아당기는 힘이 생기는 거죠.유리는 이 힘에 특히 약한 재료예요. 금속이라면 조금 휘면서 힘을 흘려보낼 텐데, 유리는 늘어나지도 휘지도 못하는 성질이라 힘이 그대로 쌓여요. 게다가 표면에는 사용하면서 생긴 눈에 안 보이는 미세한 흠집들이 있는데, 쌓인 힘이 이 흠집 끝에 집중되면서 순식간에 금이 퍼지는 거예요. 두꺼운 컵이 오히려 잘 깨지는 것도 안팎 온도 차가 해소 되는 데 시간이 더 걸리기 때문이고요.내열 유리는 온도가 변해도 팽창 자체를 거의 안 하도록 만든 유리라 온도 차가 나도 내부 힘이 쌓이지 않아요. 일반 컵에 뜨거운 물을 부어야 한다면 미지근한 물로 한 번 헹궈 온도 차를 줄이고, 컵 안에 숟가락을 넣어 열을 반산시키는 것도 도움이 돼요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.알루미늄 강도를 높이는 방법은 크게 세 갈래옝. 첫째는 합금 원소 첨가예요. 순수 알루미늄은 무른데 구리, 마그네슘, 아연, 규소 같은 원소를 섞으면 크기가 다른 원자가 원자 배열 사이에 끼어들면서 변형이 일어나기 어려워져요. 항공기용 두랄루민이 구리를 섞은 대표적인 예죠.둘째는 열처리인데, 알루미늄에서 특히 중요한 게 석출 경화예요. 합금을 고온에서 녹아든 상태로 만든 뒤 급랭하고, 다시 적당한 온도로 데워 시효처리를 하면 합금 원소가 아주 미세한 입자로 재료 곳곳에 흩어져 나와요. 이 입자들이 변형의 통로를 막는 장애물 역할을 해서 강도가 몇 배로 뛰어요. 7000번대 합금이 이 방식으로 강철에 버금가는 강도를 내요.셋째는 가공경화에요. 압연이나 인발로 재료를 눌러 변형시키면 내부 결함이 엉키면서 단단해져요. 결정 알갱이를 잘게 만드는 것도 강도를 올리는 방법이고요.실무에서는 이 방법들을 조합해서 T6 같은 조질 기호로 관리해요. 용도에 맞는 합금 번호와 열처리 조건을 고르는 게 설계의 시작인 셈이죠 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.원자 수준에서 보면 전자가 작은 자석 역할을 해요. 전자의 회전 성질 때문에 원자 하나하나가 미세한 자석이 되는데, 대부분의 물질은 전자들이 짝을 이뤄 서로 자성을 상쇄해버려요. 짝을 못 이룬 전자가 남아있는 원자만 자석의 성질을 갖고요.상자성체인 알루미늄은 원자마다 약한 자석이 있긴한데 서로 아무 협력을 안해요. 평소에는 열 운동 때문에 방향이 제멋대로 흩어져 있다가, 외부 자석을 가까이 대면 그 방향으로 살짝 정렬되는 정도예요. 자석을 치우면 바로 다시 흐트러지죠. 그래서 반응이 미미한 거예요.강자성체인 철이 특별한 건 이웃 원자끼리 자석 방향을 맞추려는 강한 상호작용이 있기 때문인데, 원자들이 구역 단위로 같은 방향을 향해 뭉쳐 있는데, 외부 자석이 오면 이 구역들이 한꺼번에 같은 방향으로 정렬돼요. 수 많은 원자 자석이 한 몸 처럼 움직이니 반응이 수천배 강하고, 자석을 치워도 정렬이 어느 정도 남아서 철 자체가 자석이 되기도 하는 거예요. :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.먼저 질문부터 답해보면, 두 손으로 컵을 같은 방향으로 밀 면 두 힘의 방향이 같으니 알짜힘은 두 힘을 더한 값이에요. 그런데 양손으로 컵을 마주 잡고 반대에서 밀면 두 힘이 반대 방향이라 서로 빼야하고, 크기가 같으면 알짜힘이 0이라컵은 안 움직여요. 알짜힘은 물체에 걸리는 모든 힘을 방향까지 따져서 합친 최종 결과라고 보면 돼요.계산이 어려운 건 힘을 눈에 안 보이는 채로 머릿속에서만 더하려 해서예요. 문제를 읽으면 물체를 점 하나로 그리고 받는 힘을 전부 화살표로 표시해보세요. 중력은 아래로, 바닥이 받치는 힘은 위로, 미는 힘은 그 방향으로요. 그 다음 같은 방향은 더하고 반대 방향은 뺴면 그게 알짜힘 이에요. 비스듬한 힘이 나오면 가로 성분과 세로 성분으로 나눠서 각 방향끼리만 계산하구요.구조물 안정성 문제는 결국 알짜힘이 0이고 회전시키는 효과도 0이라는 조건을 쓰는거라, 알짜힘 그리기가 익숙해지면 자연스럽게 풀려요. 중간 고사 준비는 유형별로 그림 그리기부터 손에 익히고, 교과서 예제를 답 안보고 다시 풀어보는 방식이 제일 효율적이에요. 힘과 에너지는 문제 수를 늘리는 것보다 한 문제를 그림부터 끝까지 스스로 완성하는 연습이 훨씬 더 좋아요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.오래 쓰던 유리잔이 갑자기 쪼개진 건 그동안 쌓여있던 상처와 내부 응력이 한계에 도달한 순간이었을 가능성이 커요. 유리는 이론상 아주 강한 재료인데, 표면에 눈에 안보이는 미세한 흠집이 생기면 강도가 뚝 떨어져요. 수년간 설거지하며 다른 그릇과 부딪히고 수세미로 문지르는 동안 잔 표면에는 미세 균열이 계속 쌓여왔을 거예요.여기에 온도 변화가 반복되어 균열을 키워요. 뜨거운 물과 찬물을 오가면 유리가 팽창과 수축을 반복하는데, 유리는 열을 잘 전달하지 못해서 부위마다 온도가 달라지고 그 차이가 내부에 스트레스를 남겨요. 균열은 이런 스트레스를 먹고 아주 천천히 자라요. 찬물이라 안심하셨겠지만 마지막 순간의 온도는 중요하지 않아요. 이미 균열이 임계 크기까지 자라 있었다면 설거지 할 떄의 가벼운 압력이나 미지근한 온도 변화만으로도 한 번에 갈라지거든요.컵이 산산조각 나지 않고 뚝 하고 두 동강처럼 분리된 것도 특징적이에요. 균열이 이미 잔을 한 바퀴 돌 만큼 퍼져 있다가 마지막 연결 부위가 끊어진 형태라 그래요. 겉보기에 멀쩡한 오래된 유리잔이 사실은 시한부인거죠. 잔에 실금이나 이 나간 부분이 보이면 미리 바꾸시는게 안전해요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.금속 피로의 시작점은 표면의 아주 작은 결함이에요. 금속 표면에는 가공 흠집이나 미세한 요철이 반드시 있는데, 힘이 걸리면 이런 자리에 응력이 몇 배로 집중돼요. 전체적으로는 안전한 힘이어도 그 지점만은 한계 근처까지 시달리는 거예요.힘이 반복되면 이 지점의 원자 배열이 조금씩 어긋나면서 머리카락보다 가는 균열이 생겨요. 문제는 균열이 생기는 순간 균열 끝이 새로운 응력 집중점이 된다는거에요. 힘이 한 번 걸릴 떄 마다 균열이 아주 조금씩 자라고, 자랄 수록 끝에 몰리는 응력은 더 커지는 악순환이 수만번, 수백만 번 반복돼요. 철사를 같은 자리에서 계속 접었다 폈다 하면 어느 순간 톡 끊어지는 게 바로 이 과정이에요.갑자기 부러지는 것처럼 보이는 이유도 여기 있어요. 균열이 자라는 동안겉으로는 멀쩡해 보이다가, 남은 단면이 하중을 못 버티는 크기 까지 줄어드는 순간 한 번에 파단되거든요. 부러진 면을 보면 균열이 천천히 자란 조개껍데기 무늬와 마지막에 뜯긴 거친 면이 뚜렷이 구분돼요.그래서 항공기나 교량은 설계할 떄 피로 수명을 계산하고 정기적으로 균열 검사를 해요. 큰 힘보다 반복되는 작은 힘이 더 무서울 수 있다는게 금속피로가 가지는 무서운 점이죠.

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.돔 구조가 압력을 견디기 좋기 때문이에요. 탄산음료 캔 안에는 대기압의 두 세 배나 되는 압력이 갇혀 있는데, 바닥이 평평하면 압력이 넓은 면을 그대로 밀어서 배불뚝이처럼 부풀다가 터질 수 있어요. 그런데 안쪽으로 오목한 돔 모양이면 압력이 면을 휘게 하는 대신 곡면을 따라 잡아당기는 힘으로 분산돼요. 아치형 다리가 무거운 차를 버티고, 달걀이 손안에서 쥐면 잘 안깨지는 것과 같은 구조에요.덕분에 캔 두께를 종잇장 수준인 0.1mm근처까지 줄여도 압력을 버틸 수 있어요. 평평한 바닥으로 같은 강도를 내리면 알루미늄을 훨씬 두껍게 써야 해서 재료비가 크게 올라가요. 수십억 개씩 만드는 제품이니 이 얇기가 곧 돈이되는거죠.오목한 바닥은 세울 때 안정적이고, 캔끼리 쌓을 떄 위 캔의 뚜껑과 맞물리는 실용적인 장점도 있어요. 작은 캔 하나에 구조공학이 꽉 눌러담겨있죠 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.기어비의 원리는 힘과 속도를 맞바꾸는 거래예요. 페달 쪽 톱니가 크고 뒷바퀴 쪽 톱니가 작으면 페달 한 바퀴에 바퀴가 여러 바퀴 돌아서 빠르지만 무겁고, 반대로 뒷 바퀴 쪽 톱니를 큰 걸로 바꾸면 페달 한 바퀴에 바퀴가 조금만 돌아요. 대신 같은 페달 힘이 바퀴에는 훨씬 큰 돌림힘, 즉 토크로 전달돼요. 오르막에서 저단 기어가 편한 게 이때문이에요. 속도를 포기하고 힘을 얻은거죠 +_+지렛대도 비슷한데, 긴 지렛대로 무거운 돌을 들면 힘은 덜 들지만 손을 크게 움직여야 하잖아요. 저단 기어도 페달을 더 많이 돌리는 대신 한 번 밟는 힘을 줄여주는 거죠자동차 변속기도 개념은 같은데 방식이 달라요. 자전거는 체인을 다른 톱니로 옮겨거는 구조고, 자동차는 맞물린 기어쌍 자체를 바꾸는 구조라 힘 전달 효율과 내구성이 높아요. 엔진이 힘을 잘 내는 회전수 구간이 좁아서 변속이 필수라는 점도 사람 다리와 비슷하죠 :)