고체역학
1. 개요
각종 하중을 받는 고체의 내적 탄성응답거동을 다루는 응용역학의 한 분야이다. 응력텐서, 응력함수 등 고급주제는 탄성학에서, 탄성을 벗어나는 소성영역은 소성역학에서 따로 다루며, 소성영역을 넘어 파손/파괴되는 영역은 또한 파괴역학에서 또 따로 다룬다. 사실상 이쪽 테크트리의 가장 베이스.
기계공학과에서는 주로 '고체역학' (Solid Mechanics)라고 부르지만 기계직 기술고시에는 '재료역학'이라는 이름으로 포함되어 있고[1], 재료공학과(또는 신소재공학과)에서는 주로 '재료역학'(Mechanics of Materials)이라고 부르며, 토목공학과에서는 주로 '응용역학'(Applied Mechanics)이라고 부른다. 세 학과에서 주로 쓰는 교재는 'Gere Mechanics of Materials'[2]이며, 이건 기계과 재료과 토목과 똑같다.
기계과나 토목과에서 필수 선수과목은 정역학이다.[3] 학교나 학과에 따라서 고체역학과 정역학을 한 과목으로 합쳐서 같이 공부하는 경우도 있는데, 이럴 경우 학점도 같이 나온다. 정역학이 고체역학의 1~2단원 같은 느낌이다.
고체물리학과는 차이가 크다. 이 과목은 대개 물리학과(4학년) 과목이며, 재료과에서는 '재료의 전자기적 성질'(3학년)이라고 개설되고, 기계나 토목과에서 배울 일은 사실상 없다. 고체역학이 고전 물리학의 일종이라면 고체물리학은 현대 물리학의 일종이다.
고체역학은 각 학과의 전공과목들의 기초가 된다.
- 기계 : 기계요소설계, 피로 파괴 역학, 재료의 기계적 거동, 탄성역학, 소성역학
- 재료 : 재료거동학 (재료의 기계적 거동)
- 토목 : 구조역학, 토질역학, 철근콘크리트 공학
Gere 책을 사용하는 기계공학도라면 KOCW나 KMOOC 사이트에 있는 부산대학교 기계공학부 안득만 교수의 고체역학, 응용고체역학 강의를 수강하는 것을 추천한다. Gere 책 번역판의 1 저자이기도 하며 가상일의 원리와 같은 책 개편으로 빠진 내용들도 강의를 한다. 강의 성격상 고체역학 개념에 대해서 증명 위주로 강의하는데 5급 기술고시를 준비하는 학생들도 많이 듣는 강의이므로 예전에 공부를 했으나 개념이 부족한 학생이라면 수강하는 것을 추천한다.
2. 내용
- 응력(stress) : 수직응력, 전단응력, 안전계수
- 변형률(strain) : 수직변형률, 전단변형률
- 재료의 성질 : 응력-변형률 선도(stress-strain curve), 피로 파괴, 후크의 법칙(Hooke's Law), 푸아송 비(Poisson's Ratio)
- 부정정 구조물
- 열변형, 열응력, 경사면 응력
- 비틀림 : 비틀림을 받는 원형봉에서 발생하는 응력과 변형각
- 보 (beam) : 보의 전단력에 의한 전단응력(transverse shear), 보의 굽힘모멘트에 의한 굽힘응력, 보의 전단력 선도, 보의 굽힘 모멘트 선도
- 보의 처짐 : singularity function, 면적모멘트법, 중첩법 등으로 처짐과 처짐각을 구한다.
- Stress Transfornation : 공식이나 모어 원 등으로 principal stress 또는 maximum in-plane stress을 구한다. 봉의 등가굽힘모멘트, 등가비틀림모멘트 또한 알 수 있다.
- Strain Transformation : 공식이나 모어 원 등으로 principal strain 또는 maximum in-plane strain을 구한다. 모어원에서 엡실론 대신 감마/2를 적용한다는 점에 주의하자.
- 장주의 좌굴
- 에너지법 : 충격계수, 가상 일, 카스틸리아노의 법칙 등으로 처짐(비틀림각)을 구한다.
3. 각종 시험에서의 출제
객관식 시험은 이렇다. 7급 9급 시험에는 확실히 차이가 있는데, 7급 시험에는 정정보 해석이 2문제 정도만 나오지만 9급에서는 10문제 가량 나온다. 이 밖에도 일부 공공기관 필기 시험 전형에 전공과목으로 출제되기도 한다.
- 일반기계기사, 기계설계기사, 농업기계기사, 조선기사, 철도차량기사, 용접기사, 건설설비기계기사 - 재료역학
- 토목기사 - 응용역학
- 기술직 7급 공무원 시험 - 응용역학 (토목직)
- 기술직 9급 공무원 시험 - 응용역학개론 (토목직)
4. 교재
- Timoshenko / Gere / Goodno재료역학 : 1~4판에는 티모셴코의 이름이 나오고, 3판 이후에는 기어의 이름이 나오고 있다. 티모셴코는 스탠퍼드 교수로 재료역학을 학문적으로 정립한 거장으로 1972년 작고했다. 기어는 티모셴코의 제자로 2008년 작고했다. 지금은 Goodno가 Timoshenko류(...)를 계승 중. "SI 재료역학 9판" 기준 Inelastic torsion[4], 원형부재의 굽힘에 쓰는 curved beam formula, 가상일의 원리 내용이 수록되어 있지 않다.
- Crandall 고체역학 : 크랜달은 MIT 교수로 2013년 작고했다.
- Beer 재료역학 : 보통 가장 많이 쓰이는 책 중 하나.
- Craig 재료역학 : 번역본은 1999년 2판이 나온 것이 전부이고, 품절되었다. 해외에서는 2011년에 3판이 나왔다. 내용이 조금 어렵고 가독성이 좋지는 않다.
- Shames Solid mechanics : 고체역학개론 이라는 제목으로 번역본이 있다.
- R. C. Hibbeler : 원어 Mechanics of Materials, 번역명 재료역학, 컬러풀한 책으로 보기만 해도 눈 아픈 다른 단색 책에 비해 인기를 얻고 있다. University of Louisiana-Lafayette에서 학생들을 가르치고 있다고 한다. 정역학, 동역학, 구조역학, 유체역학(!)까지도 이 사람 책이 있는데 모두 올컬러(!!)다. 연습문제 난이도가 조금 높다. 원래 이 사람이 토목유체역학 전공인데 기계과 강의도 할 정도로 대단한 양반이다. 이 책에는 9판 기준 Z자형 빔 등 비대칭 단면에 대한 굽힘응력 해석방법, 온도 그래디언트에 따른 보의 굽힘이 수록되어 있지 않다.
[1] 일부 기계공학과에서도 재료역학이라고 부른다.[2] Gere의 스승이자 재료역학의 시조라고 할 수 있는 Timoshenko는 처음에는 Strength of materials의 이름으로 출판했다. 그 이후로는 Mechanics of Materials로, Crandall은 Solid mechanics로 따로 불렀는데 현재는 Mechanics of Materials로 학문 이름이 고정되어 있으므로, 엄밀히 말하면 재료역학이 맞는 말이겠으나, 재료역학이라고 하면 소재공학과 혹은 재료공학과로 한정되는 느낌이 들기 때문에 바꿔부르는 듯 하다.[3] 재료과의 경우 정역학 없이 그냥 고체역학 앞에 던져 놓는 경우가 있다.[4] 정작 Inelastic axial load, bending, and buckling은 잘만 실어놨으면서 torsion만 빼먹었다(...) [5] 유감이지만 재료역학의 경우 상기한 어떤 저자들도 학생들에게 솔루션을 공개한 적이 없다. 오직 instructor에게만 솔루션이 제공되며, 유체역학과는 달리 어떤 재료역학 교재도 student solutions manual이 발간 된 적이 없다. 물론 요즘엔 비싼 구독료를 내는 Chegg를 활용하거나, 아예 구판의 솔루션의 pdf가 돌아다니는 경우가 있으니 활용해도 좋다.