열전달
열전달 이란?
전열(傳熱)은 열 에너지가 공간의 한 위치에서 다른 위치로 이동하는 현상으로, 열이동(熱移動), 열전달(熱傳達)이라고도 한다. 전열은 열 이동 현상을 다루는 공학이며, 열공학의 한 분야이다. 길게 말하면 열의 이동,열의 전달이라고 한다.
열의 흡수
물체가 열복사선을 받았을 때 그 열복사선을 흡수하는 상태는 물체 표면의 성질에 따라서 달라진다. 예를 들면, 태양 광선을 볼록 렌즈로 모아서 하얀 종이와 검은 종이 위에 실상을 만들었을 때 하얀 종이는 좀체로 타지 않지만 검은 종이는 바로 탄다. 또 두 개의 삼각 플라스크를 준비하고, 하나는 검게 칠하고 다른 하나는
은박지를 바른다. 이 두 플라스크에 온도계를 붙이고 두 플라스크에 같은 열복사선을 쬐어서 온도가 상승하는 것을 살펴본다. 그러면, 검게 칠한 플라스크 쪽이 온도의 상승이 크다는 것을 알 수 있다. 이러한 실험 결과로 검은 물체는 열복사선을 잘 흡수하지만 흰 물체는 열을 잘 흡수하지 않는다는 것을 알게 된다. 또 물체의 표면이 금속과 같이 매끄러우면 열을 별로 흡수하지 않고 열이 그냥 지나가거나 반사한다.
열역학
열역학 이란?
열역학이란 열+역학(Thermodynamics = Thermo + Dynamics)의 합성어로, 열(Heat)과 일(Work) 간의 관계를 설명하는 학문이다. 열과 일 모두 에너지에 속하는데 왜 하필 굳이 열을 대상으로 이렇게 학문을 따로 만들었을까 생각할 수도 있을 것이다. 하지만 인류 문명의 역사는 불의 발견에서 시작되었다는 말이 있듯, 열에너지는 우리 주변에서 찾고 발생시키기 쉬워, 현재까지도 많은 기관들의 원동력을 제공하고 있고, 열 자체의 정체가 몹시 특수해 많은 수의 입자의 역학을 설명해야 하는 분야라 까다로운 분야이다. 이러한 이유로 열역학 법칙이라는 가장 중요한 법칙을 포석 삼아 열현상을 연역적으로 설명하기 위해 정립된 분야이다.
이로 인해 정확한 열현상을 묘사하기 위해선 루트비히 볼츠만이 체계적으로 기반을 다진 통계역학을 사용한다. 이건 원자와 분자의 존재를 상정한 역학이기에 통계라는 상당히 이색적인 방법론을 사용하는데, 자연히 기계론적 세계관을 포기하기 때문에 이 생각은 당시에 상당히 배척받았다. 하지만 이 생각으로부터 흑체 가설을 풀 영감을 얻은 막스 플랑크가 이 방법론을 사용하여 양자역학의 토대를 만들어냈다. 현대에는 일반 열역학도 다수의 입자를 대략 다루기 때문에 대학 학부 수준만 되어도 통계를 사용한다.
물리학에서 열현상과 일, 열사이의 관계가 정의, 설명되었고, 열역학은 공학의 각분야를 통해서 열적 현상이 응용되며 발전되어 왔다. 따라서 자연계에 존재하는 열현상중에서 어떤 부분을 어떻게 이용할 것인지에 따라서 공학의 해당분야들은 독립적으로 발전해왔으며 응용 및 분석에 있어서 학문적인 차이가 존재한다. 이것은 열현상의 응용 분야인 해당 공학에 따라 사용되는 물리량과 분석방법에서 차이를 보이고 있음을 명확하게 구분해야한다.
열에 대한 학문인 열학(thermology)의 하위 학문이나, 열학의 거의 모든 것이 열역학으로 설명할 수 있을 정도라서 사실상 열학=열역학이나 마찬가지이다. 참고로 열학은 열물리학(thermal physics)이라고도 한다.
열역학 역사
뉴턴이 기반을 다지고 라이프니츠와 많은 유럽의 수학자들이 확고하게 만든 고전역학 이후로 찾아 나선 두 개의 신영역 중 하나. 나머지 하나는 전자기학이다. 에너지라는 개념이 이 학문의 정립과 함께 정리되었고, 많은 과학적 개념이 하나의 공통점을 찾게 된 계기이기도 하다. 하지만 분자와 원자의 물리적 성격을 제대로 짚지 않고 열역학 법칙으로부터 연역적으로 풀어나가기에 고전역학 중에서 눈에 띄는 오류가 가장 많은 분야. 그래서 깊이 파고들면 같은 19세기 학문인 전자기학보다 까다로운 면이 있다.
본래 과학자들은 열은 열소(Caloric)라는 물질로 이루어져 있다는 설이 대다수였고, 운동설은 소수였다. 그러나 군사 정치에 관심이 많았던 럼퍼드 백작 벤저민 톰프슨이 포신을 만드는 과정을 보고 열소에 대한 의문을 가진 것으로 시작하여 운동설의 반격이 시작된다. 하지만, 운동설은 복사열을 설명할 수 없다는 치명적인 약점 때문에 물질설에게 반격받았지만, 토머스 영의 이중 슬릿 실험을 통해 빛이 파동이라는 것이 증명됨에 더해 여러 이론들이 나오면서 열소설은 자취를 감춘다.
기계 공작법
기계 공작법 이란?
기계공작법 : 재료에 각종 방법(기계력 : 프레스, 열 : 열처리 등)으로 재료의 형상변화, 기계적 성질변화를 일으켜, 일상생활에 도움을 줄 수 있도록 설계, 제작하는 기술 사용 재료는 주로 금속재료(탄소강, 합금강, 주철, 주강 등) 비금속 재료(목재, 고무, 플라스틱 등) 사용한다.
절삭 가공에 이용되는 성질
절삭성(machinability) 은 재료의 가공난이도 고정공구에 의한 절삭 : 선삭, 평삭, 형삭, 브로칭 선삭 은 선반으로 공작물을 회전시켜서 깍아내는 절삭가공. 평삭 은 평삭기에 의한 평면 절삭법, 형삭을 할 수 없는 가공면의 좁고 긴 평면이나 홈 절삭을 하는데 가장 적합한 방법. 형삭(shaping) 은 공구의 직선운동과 공작물의 직선 이송 운동을 조합시켜서 평면을 깎는 것. 평삭과 상대 운동은 같으나 공구측에 직선운동을 시키는 것을 셰이핑이라고 하고 이 기계를 셰이퍼라고 한다.
CAD 실습
CAD 의 역사
950년대초 엔지니어링 해석(Analysis)용으로 펀치카드 머신을 사용하다 미국 자동차 회사 GM과 컴퓨터 회사 IBM이 1963년 세계 최초의 컴퓨터 그래픽 기반 CAD 프로그램인 DAC-1(Design Augmented by Computer) 출시 이후 빠르게 발전하여 현재에 이르러서는 수십가지의 상용 프로그램이 시장에 나와있다.
초창기에는 단순한 2D 드로잉 용도로 컴퓨터로 그리고 플로터로 출력하는 수준에 그쳤지만 프로그램 기능이 나날히 개선되어 이제는 2D 도면은 따로 존재하지 않고 3D Model 데이터만 있는 수준까지 이르렀다.
디자인 설계 기간을 줄이고 실물제작 단계를 거치지 않아도 프로그램상에서 설계 검증 및 수정을 거칠 수 있어 제작 효율을 극단적으로 높일 수 있다는 장점 때문에 현재에 이르러서는 거의 대부분의 설계 디자인을 컴퓨터에 의존하게 만들었다. 부가적 효과로서 여러 나라들이 대대적으로 제조업에 뛰어들 수 있도록 한 효과가 있다.
건축/토목, 기계, 전기/전자, 서피스, 패션, 게임 등등 거의 모든 산업 분야에서 사용되고 있으며 각 산업 분야별로 특화된 다양한 CAD 소프트웨어들이 쏟아져 나오고 있다. 디자인 설계의 범주를 벗어나 자동화 가공/제작을 위한 CAM, 렌더링/에니메이션, 해석/시뮬레이션, PLM(Product Lifecycle Management) 영역까지 사용범위를 넓혀 제품에 관한 모든 것을 관리 가능한 단계까지 이르렀다.
캐드의 전 후를 비교해 보고 싶다면 같은 스텔스를 구현하기 위함인데도 외향적 차이를 보이는 F-117과 F-22를 비교해보면 된다. F-117이 최대한 평면을 사용한데 반해 F-22는 유선형을 사용했는데 사람의 계산속도로 비행성능과 스텔스 기능까지 같이 계산하기 매우 어려웠기 때문이다.
CAM 연관
STEP/IGES 모델링 파일 또는 DWG/DXF/SVG 도면 파일등 CAD로 출력한 자료를 바탕으로 CAM 툴로 편집 자동화 기계에 필요한 NC 코드로 출력하여 자동 가공된다. 참고로, IGES 파일 포맷은 1996년 이래로 단종되었으며 M-CAD 분야에서는 STEP/STP 파일이 3D 객체 파일 교환을 위한 업계 표준이다. OBJ/STL/STEP 모델링 파일은 3D 프린트등 Additive 가공쪽에서 많이 사용된다. 디자인 설계 뿐아니라 절삭가공, 프레스나 플라스틱 몰드를 위한 틀(금형)을 만들기 위해서도 CAD/CAM이 사용된다.
컴퓨터 수치제어 CNC(Computer Numerical Control) CAM 제작방법과 3D CAD 디자인으로 현재 우리가 사용하는 거의 대부분의 물건을 만들고 있다. 예를 들어 전동드릴의 인체공학적 손잡이 부분을 예전 방법대로 만들려면 나무등을 깎아서 목형을 만든 뒤 여기에 주물사를 넣어 굳힌 뒤 다시 이 모래형을 이용하여 주물을 부어서 형상을 만들고 이렇게 나온 형상을 다시 사람이 일일이 깎고 연마하는 작업을 거쳐 만들어야 했다. 3D 설계 데이터와 컴퓨터 수치제어 제작법을 사용하면 이 모든 과정이 생략되고 바로 금형을 가공할 수 있다. 더구나 완성되기 전에 형상을 보고 수정도 가능하고 데이터가 같으면 물건도 항상 똑같게 나오는 점도 대단한 것이다. 동일 데이터로 다른 곳에서도 가공을 똑같이 할 수 있기 때문에 더욱 편리하다.
툴비트의 마모와 기계적 정밀도 차이가 있기 때문에 일반적으로 수십마이크론 정도의 가공 오차가 발생한다. 서보 모터나 기계적 또는 소프트웨어적인 피드백 보정 방법을 사용하는 정밀 자동화 기계에서는 미세한 오차까지 피드백 보정되어 자동 절삭 가공된다.
CAD가 주류가 될수록 설계 디자인 하우스와 CAM 가공 팹(Fab)으로 아웃소싱 및 분업화가 이루어 지게 되었다. 그리고 부가가치가 떨어지는 대량 생산 품목에 대한 금형 업종 경우 주로 한중일로 이전된 상태다.
정역학
정역학 소개
정지해 있는 물체의 특성을 연구하는 물리학 과목. 반대되는 과목으로 운동하는 물체의 특성을 연구하는 동역학이 있다.
모든 '역학'의 본질은 결국 뉴턴의 운동법칙(가속도)의 법칙인
F=ma
F=ma에서 출발한다.
여기서 정역학이란 계가 정적으로 평형일 때, 즉 계의 가속도(a
a)가 0인 상황에서 어떻게 계가 주변, 혹은 그 내부에서 상호작용을 하는지 분석하는 학문이다. 즉,
∑F=0(∑M=0)
∑F=0(∑M=0) 인 계를 분석하겠다는 것.
설명을 보면 알겠지만, 정역학 자체가 중요하다기보다는, 나중에 고체역학(Solid Mechanics, 혹은 재료역학, 응용역학)을 편하게 도입하기 위한 발판 정도로 생각하면 좋다.
보면 알겠지만, 한쪽이 0이고 계가 정적이라 스프링, 댐퍼도 없어(즉, 식에 미분항이 없어) 식을 푸는 방법 자체는 이후에 맞닥뜨리게 되는 상황들에 비해 눈물나게 쉽다. 이 때문에 기계공학이나 토목공학 쪽에서는 기본에 속하는 학문이며, 라플라스 변환을 비롯한 공업수학이 필요하지 않기 때문에 주로 1학년 2학기 때 배운다.
중간고사까지는 일반물리학에서 볼 수 있었던 역학 단원과 겹쳐서 비교적 쉽다고는 하지만, 3차원 강체 해석에서 다소 애로사항이 있을 수 있다. 중간고사 이후의 단원들이 다소 어려울 수 있다.
삼각법, 벡터의 합과 차에 대한 작도방법, 삼각법 등이 나온다.
돌림힘은 모멘트(moment)라고도 한다. 커플 모멘트는 크기가 같고 방향이 다른 두 힘은 알고 보면 하나의 모멘트로 해석할 수 있다는 것이다.
FBD(free-body diagram,자유투사도)를 그리고 ΣF = 0, ΣM = 0 두 조건을 만족해서 정역학적 평형이 이루어지는지 본다.
대강 설명하자면, 구조물은 막대와 핀으로 구성되어 있는데, 막대와 핀에 걸리는 힘을 전부 구하는 것이다. 트러스, 프레임, 머신, 케이블 등의 구조가 있다.
막대기와 관절로 구성되어 있다. 모든 막대기는 힘의 평형을 이루고 내부의 힘 2개만 작용한다. 문제를 풀기 의해서는 먼저 전체 구조물을 강체로 보고 reaction을 구한 뒤, 모든 막대기 또는 몇 가지의 막대기가 관절에 작용하는 힘을 구할 수 있다. 이때 사용할 수 있는 방법은 Joint method 와 section method가 있다. 이후 막대기 내부의 힘을 할 수 있다. 관절에 막대기가 작용하는 힘은 막대기 내부 힘과 크기는 같고 방향은 반대이다(작용-반작용.) 막대기 내부 힘은 tension과 compression이 있다.
프레임을 구성하는 물체들은 2가지 이상의 힘이 작용한다. 프레임 전체의 reaction을 구한다. 그 후 각각의 물체에 대해 FBD를 그려야 한다. 머신은 프레임과 비슷하나, 움직일 수 있다.
케이블은 텐션만을 가진다.
어떤 막대에 작용하는 외부 힘이 있을 때, 막대를 구성하는 작은 부분들에 걸리는 전단력과 벤딩모멘트를 구한다. 이것들이 흔히 막대 내부의 어느 한 점에서부터 거리에 따라 달라진다. 그에 따라 거리에 따른 전단력, 벤딩모멘트의 그래프를 그릴 수 있다. 미분과 적분에 대한 기초지식이 필요하다.
유체역학
유체 역학의 역사
역사적으로 유체역학의 시초는 뉴턴으로 본다. 물론 아르키메데스의 부력의 원리도 유체역학에 기여하였지만, 체계적인 학문으로 발전시킨 것은 뉴턴의 연구가 처음이라고 할 수 있겠다. 이후로 다니엘 베르누이, 오일러 등의 학자들이 유체역학을 발전시켜 왔으며, 유체역학 관련 학회에서 새로운 논문이 수천수만 편이 쏟아져 나오고 있는 현재에도 새롭게 발전하고 있는 학문 분야이다.
자기유체역학 MHD
보통의 유체는 전기적으로 중성이지만, 이 유체를 이루는 입자들이 전하를 가진다거나 하는 특수한 환경에서 자기유체역학을 적용한다. 유체역학의 나비에-스토크스 방정식과 전자기학의 맥스웰 방정식을 섞기 때문에 매우 어렵다. 하지만 대부분의 공과대학에서는 잘 안사용한다.
철강 업계에서도 자기유체역학을 사용한다. 고로에서 막 빠져나온 선철(pig iron)에는 불순물이 많은데, 이를 떠오르게 하기 위해 강한 자기장을 걸어 대류를 촉진시킨다. 이 경우에는 나비에-스토크스 방정식으로 풀어도 잘 맞는다.
핵융합 및 플라즈마 물리 연구에서도 많이 사용된다. 플라즈마의 움직임을 연구할 때(핵융합 플라즈마나 태양풍 등 연구 시) 이 현상을 고려해야 하는데, 실제로는 플라즈마의 경우 매우 밀도가 낮으므로, 연속체로 가정하는 나비에-스토크스 방정식을 그대로 적용하면 잘 맞지 않는다(이때는 압축성 식을 써야 하는데 압축성은 비선형 항이 두 개나 되는 게 함정(...)) 그 기준점을 제시하는 무차원수 Knudsen 수가 존재한다. 이런 플라즈마나 인공위성의 저항 계산과 같이 밀도가 매우 희박한 공기역학 문제의 경우 DSMC 기법을 사용한다. DSMC는 볼츠만 방정식을 통계적으로 해석하기 위한 것이다.
또한 핵융합로 토카막의 내부에서 강자기장을 받는 냉각수 Pb17Li의 전자기력으로 인한 압력강하를 줄이려 할 때 쓰인다. 이러한 관내 MHD유동은 Side Layer의 형성으로 인하여 학부과정에서 흔히보는 U-shaped velocity profile과는 다른 M-shaped velocity profile이 형성되는 흥미로운 현상을 보인다. 여기서 대표적인 무차원수는 전자기력과 점성력의 비율인 Hartmann Number. 그리고 보통 MHD 유동이 로렌츠힘으로 인해 고출력의 펌프가 필요한데, 그런 펌프를 설계하는 게 사실상 불가능하다. 최근엔 울며 겨자먹기 식으로 유체 내부의 전류를 차단하는 FCI(Flow Channel Insert)를 설치하여 줄이고 있지만 한계가 크다.
동역학
내용과 활용분야
일반적으로 대학교에서, '동역학'이라는 명칭은 물리학보다는 기계공학에서 많이 쓰게 되며, 분과학문으로 다루는 것도 이쪽. 여기에서는 각종 복잡한 형태의 구조로 이루어진 역학 문제를 빠르고 간편하게 푸는 것에 초점을 맞춘다. 또 다른 차이점으로 물리학과에서는 라그랑주 역학과 해밀턴 역학이 주 내용인 반면, 기계공학과 동역학에선 저런 거 안 다룬다. 보통 미분방정식을 표현해 현상을 풀이한다는 점에 천착해 사회 분과에서도 사회상의 동역학 등등으로 사용하는 경우가 많은데, 이때는 동학이라는 명칭 역시 많이 쓰인다.
위의 동역학은 한국 공대 문화로 이해하는 것이 좋다. 기계공학에서는 4대 역학이라하여 정역학 (구조에 대한 역학) or 재료역학, 동역학 (일반적으로 시간이 추가된 기초 역학, 정역학은 시간에 대한 것을 무시할 수 있는 엔지니어링적인 구분이다.), 열역학 (열과 관련된 동역학), 유체역학 (유체와 관련된 동역학)이라고 하는데서 동역학이 기계공학에서 많이 사용되는 것이라 한 것이다 (술먹고 공대 5적이 누구이니 하는 것과 유사한 맥락이라고 보면 된다) 영어로 당연히 Dynamics인데 이는 자연의 섭리
(과학자들이 믿는 객관적인 사실과 가까운...)를 탐구하는 분야라고 봐도 될 듯 싶다.
참고 자료
1.https://namu.wiki/w/%EC%A0%95%EC%97%AD%ED%95%99
2.https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%97%B4%EC%A0%84%EB%8B%AC
3.https://m.blog.naver.com/studycadcam/220621683654
4.https://namu.wiki/w/%EC%A0%95%EC%97%AD%ED%95%99
5.https://namu.wiki/w/%EC%9C%A0%EC%B2%B4%EC%97%AD%ED%95%99