(재료)전단응력에 대해서...

먼저 응력이라는 것은 재료에 가해지는 외력을 의미합니다.
종류로는 압축, 인장, 전단 응력 성분으로 분류를 하지요.
그중 전단응력이란 재료의 변형을 주도하는 슬립계에 대해 평행한 응력 성분을 나타내는 것으로서 전단변형의 원인이 되지요.

쉽게 막대기가 있을 때 막대의 축에 수직하게 슬립계가 있다고 합시다. 이러한 슬립계에 평행한 방향으로 힘이 작용할려면 측면에서 stress 가 가해져야 하겠지요.
이러한 성분이 바로 전단응력입니다.
압축응력은 슬립계에 평행하게 작용하는 성분이고, 인장응력은 압축응력과 마찬가지로 슬립계에 수직으로 작용하는 힘이지만, 반대방향을 갖지요.
재료의 변형은 슬립면에서 발생하는 것으로 해석하면 재료의 변형을 주도하는 것은 전단응력성분입니다.
앞에서와 마찬가지로 막대기가 있는데 이번에는 그 슬립계가 예를 들어 축에 각도를 가지고 위치한다고 합시다.
45도가 이해하기 쉽겠지요.
이제 인장응력을 축에 방향으로 가하게 되면 그 응력(stress)는 슬립면에 수직한 방향(재료의 변형에 무관)과 전단방향으로 힘의 벡터 분해를 할 수 있지요.
이러한 분해된 두 힘중 전단응력이 재료의 변형을 제어하게 되는 것입니다.

[추가질문]
잘 모르겠는 부분이 있어 문의 드립니다.
1) 슬립계의 의미를 유체의 이동방향과 평행한 계를 의미하는 것으로 보이는 데, 슬립의 의미가 미끌어짐을 의미하는 것이 맞는지요 ?
=> 제가 설명드린 것은 고체의 경우에 대해 답변을 드렸는데... 유체의 경우로 추가질문을 해서 조금 난해 한 것이 사실입니다. 일단 제가 알고 있는 범위내에서 답변드리면, 고체(금속)의 경우는 변형을 일의키는 슬립계가 있습니다. 물론 micro 하게는 슬립계에 평행하게 변형이 되지만 그 결과 macro 하게 관찰하는 입장에서는 다른 결과를 보일 수 있습니다. 예를 들어 야채인 무우를 길이방향에 45도 각도로 slice 쳤다고 생각해 봅시다. 그리고 길이 방향으로 당기면(인장응력) 무우는 길이 방향으로 연속성을 유지하기 위해(끊어지지 않고 연결되어 있기 위해) 45도 각도인 슬립계들이 조금씩 미끌어 집니다.
즉, micro 하게는 슬립계방향으로 미끌어 졌지만 macro(거시적)하게 보면은 길이 방향으로 늘어난 결과를 보이지요.

2) 아래에 님께서 설명한 글을 갈무리 했는데, 압축응력이 슬립계에 평행하게 작용하는 성분이 맞나요 ? 혹 수직방향이 아닌지요 ?
=> 님의 지적이 맞습니다. 저의 실수였습니다. 압축과 인장은 서로 반대방향이며, 슬립계에 수직하게 작용하는 힘입니다.

3) 전단 응력과 마찰력이 같은 의미 혹은 유사한 개념 인가요 ?
=> 아니오, 재료를 변형시키기 위해 외부에서 힘을 주었을 때, 그 힘의 결과로 변형이 발생할 수 있는 슬립계상에서 항상 전단응력과 수직/압축응력으로 분해할 수 있습니다. 그 분해 힘중 전단응력 성분이 그 슬립계에서의 최대정지마찰력보다 크게 되면 재료는 변형을 일으키게 되지요.

4) 전단의 의미가 무엇인지 조금 더 설명 부탁드립니다.
=>재료가 변형을 일의캐는 것으로서, 예를 들어 두개의 나무토막을 쌓아두고 그 경계면에 수직한 힘인 인장이나 압축력을 가하면 두 나무토막의 위치는 변하지 않습니다. 그러나, 두 나무토막의 경계면에 평행하게 상단 나무토막에 측면에서 힘을 가하면(Shear) 나무토막 경계면이 서로 slip 을 일의키지요. 즉, 변형이 발생하게 되지요. 바로 그 힘입니다.

5) 전단응력에 대한 개념이 확실하게 서 질 않아 예를 들어 설명을 듣고 싶습니다. 한가지 예는 파이프내에 유체가 층류로 흐를때 전단응력은 어떤 방향으로 작용하는지요 ?
=> 유체가 흐를때 파이프 중심부와 벽쪽은 선속이 다릅니다. 그리고 유체는 연속성을 유지하지요. 중심부 유체와 벽쪽 유체의 속도가 다르다는 것은 서로 유동이 발생함으로써 가능 한 것입니다. 유체가 일정한 속도로 전범위에 걸쳐 일정한 속도로 흐르고 있는데 그 유체와 벽면의 마찰에 의해 벽쪽 유체는 마찰력에 의해 이동방향과 반대방향으로 전단응력을 받습니다. 참고로 유체는 슬립계가 없습니다. 바꾸어 말하면 슬립계가 많다는 것이죠. 어떠한 분자간 결합면도 슬립계로 작용할 수 있다는 것입니다. 그래서 고체보다 유체가 더 잘 쉽게 변형되는 이유중의 하나지요.
유체의 흐믈메 대해서 이번에는 이렇게 생각을 해 봅시다. 물은 가만히 정지해 있고 파이프를 반대반향으로 이동시킨다고 생각해 봅시다. 유체는 파이프와의 마찰력에 의해 벽면쪽에서 전단응력을 받지요.
마치, 위 (4)번의 답중 두 나무토막 중 상부 나무토막을 손가락으로 경계면에 평행하게 힘을 가한것과 마찬가지로요.

또 다른 예는 커다란 수조에 물을 담고 통 중심부에 impeller를 넣고 돌릴경우 즉 물을 섞을 경우 전단응력은 어떤 방향의 힘을 말하게 되는지요 ?
=> 임펠라도 돌아가는 방향입니다. 그 전단응력에 의해 임펠라 쪽의 물이 힘을 받아 변형되고(이동) 그 앞쪽에 압력은 올라갈 것입니다. 유체는 연속성을 유지하려 하기 때문에 임펠라 뒤쪽의 저압부를 채워야 합니다. 그러면 그 부분으로 물리 압력차에 의해 채워지겠죠. 그 결과 물의 이동을 거시적으로 보면 임펠라 에 수직한(임펠라 축에 평행하게 )유동이 발생하겠습니다.





유체역학에서의 전단응력(shear stess)

유체(기체나 액체)가 어떠한 고체 표면을 지나가게 되면 그 접촉면의 마찰로 인하여 고체표면에서 떨어진 거리에 따라 유체의 속도에는 차이가 납니다. 무한대로 떨어진 거리에서는 마찰에 의한 영향이 없으므로 전단응력은 제로에 가깝다고 표현을 하고요.

아주 쉬운 설명이 생각났네요. 저도 지금 커피 마시는 중인데. 차를 티수픈으로 저으면 소용돌이가 생기잖아요. 티수픈과 차 사이의 전단응력에 의해서 발생하는 거구요.

조금 더 덧붙여 설명하면 층류와 난류라는 개념이 나오는데. 층류는 포커 카드를 바닥에 깔때를 생각하면 바닥에 붙은 카드는 조금 움직이고 손바닥쪽의 카드는 손가는 만큼 움직이듯이 층층별로 일정한 흐름을 나타내는 것을 뜻하고 난류는 로또 복권 추첨하듯이 뒤죽박죽으로 흘러가는거죠.

왜 이런 개념이 필요하나 하면 앞에서 설명 들였듯이 커피에 설탕 탈때 스픈으로 천천히 움직이면 층류가 됩니다. 하지만 일반인들은 확확 저어서 빨리 섞이게 하죠. 혹은 온탕에 들어갔는데 너무 뜨거워서 찬물을 섞을때도 손으로 휙휙 저어서 빨리 차갑게 만들죠. 이런 원리를 일반 화공에서도 적용하기 위함입니다.