같은 재료인데 왜 얇은 판보다 파이프 형태가 더 튼튼한가요?

Question

똑같은 양의 재료를 써도 속이 빈 파이프 형태가 꽉찬 막대보다 휨에 더 강하다고 들었어요. 왜 재료를 바깥쪽에 배치하면 구조적으로 더 유리한 건지 궁금합니다.

Answer 1

같은 재료라면 가운데를 꽉 채우는 것보다는 바깥쪽에 재료를 배치하는 것이 휨에 훨씬 더 강해집니다.

물체가휘어질 때 가장 큰 힘은 중심이 아닌 가장 바깥쪽에서 발생하게 됩니다. 그래서 파이프처럼 재료를 바깥에 배치하면 적은 재료로도 큰 하중을 견딜 수 있습니다. 반대로 중심 부분은 휨을 버티는 데 기여하는 비율이 상대적으로는 작습니다. 그래서 이곳을 비우면 무게는 줄어들면서 강도는 효율적으로 유지될 수 있게 됩니다.

그래서 주변에 건설용 자재나, 자전거 프레임 같은 구조물에도 속이 빈 파이프 형태가 널리 사용되는 이유입니다.

Answer 2

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

같은 재료라도 모양을 어떻게 잡느냐에 따라 버티는 힘들이 꽤 달라질 수 있습니다.

휨이 생길 때는 가운데 부분보다는 바깥쪽이 더 크게 당겨지고 눌릴 수 있기 때문에, 재료의 바깥쪽에 있을수록 일을 더 많이 합니다. 파이프가 유리한 이유도 속을 꽉 채우기보다는 재료를 바깥 둘레로 보내서 휨에 잘 버티는 구조를 만든 것입니다. 같은 양의 재료를 중심에 뭉쳐두는 것보다, 멀리 퍼뜨려서 흔들림이나 휨에 더 강하게 만든 셈입니다.

그래서 자전거 프레임이나, 난간, 기둥 같은 곳들 보면 속이 빈 원형관이나 사각형으로 된 관들을 많이 사용하게 됩니다. 파이프가 튼튼한 것은 재료가 튼튼한 재질을 썼을 수도 있지만, 힘을 잘 받는 위치에 재료를 배치한 구조적인 이점이 작용한 것으로도 볼 수 있습니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

같은 양의 재료라면 휨에 대한 강성은 재료를 주임에서 멀리 배치할 수록 커집니다 이는 단면 2차 모멘트가 커지기 때문인데 바깥쪽에 있는 재료일수록 휨을 더 효과적으로 견디므로 속이 빈 파이프가 속이 꽉찬 막대보다 무게 대비 강성이 더 뛰어납니다 그래서 자전거 프레임 건성용 강관 항공기와 우주 항공 구조물처럼 가볍고 튼튼해야 하는 곳에서는 속이 빈 원형 파이프 구조가널리 사용됩니다

Answer 4

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

휨을 견디는 힘이 재료가 중심축에서 얼마나 멀리 떨어져 있느냐가 결정해요.

무언가를 휘게 하면 바깥쪽 면은 늘어나고 안쪽 면은 압축되는데, 한가운데는 늘어나지도 줄어들지도 않아서 버티는 일에 거의 기여를 못하거든요. 그러니 중심부의 재료는 무게만 차지하죠 ㅎ_ㅎ,

파이프는 이 놀고 있는 가운데를 비우고 그 재료를 전부 바깥쪽으로 몰아준거에요. 같은 양이라도 재료가 축에서 멀어질수록 휨에 저항하는 능력이 확커지거든요. :)