Shear Stress의 개념을 쉽게 이해합니다 (Desk, chair, computer, pen, paper)

질문 요약

Shear stress는 bending stress로 인해 발생하는 F1과 F2의 차이를 메꾸기 위해 도입되며, mutual axis의 경우 F가 0이므로 shear stress가 필요 없습니다. 또한, 중심축에서 shear stress가 최대이고 멀어질수록 감소하는 현상과 끝단면에서의 shear stress가 0이 되는 원리를 이해하기 어려운데, 이에 대해 궁금증이 생깁니다.

답변 요약

모멘트에 의한 전단응력은 Shear Stress에 관한 질문입니다. Shear Stress는 물체 내부에서 변형이 발생할 때 발생하는 응력을 의미합니다. 이해에 어려움을 느끼신다면 추가 영상을 확인하고 Shear Flow 개념을 공부해보세요. 링크(https://godjunpyo.com/shear-flow-이해하기/)를 참고하시면 도움이 될 것입니다. 질문 사항이 여전히 남아 있다면 다시 질문해주세요.

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Shear Stress 이해하기: 기본 개념부터 심화 이해까지

Shear stress는 구조물이나 재료 내부에서 작용하는 힘으로 인해 발생하는 내부적인 '절단' 응력을 말합니다. 이는 물체의 한 부분이 다른 부분과 상대적으로 평행 이동할 때 발생합니다. 이해를 돕기 위해 여러분의 질문에 단계별로 답변해 보겠습니다.

1. Mutual Axis에서의 Shear Stress

mutual axis에서 normal stress가 0이 된다면, 이론적으로는 F1과 F2의 차이도 없어지므로 Shear stress인 F3이 발생할 필요가 없어 보입니다. 그러나 이는 이상적인 경우로, 실제 구조물에서는 재료의 불균일성, 구조적 결함 등 다양한 요소로 인해 완벽한 0의 상태는 존재하기 어렵습니다. 또한, 이는 매우 작은 구역에서의 이론적 분석으로, 실제 구조물에 적용 시 다른 요인들이 작용할 수 있습니다.

2. 중심축에서 Shear Stress의 변화

중심축에서 Shear stress가 최대이고, 중심축에서 멀어질수록 Shear stress가 감소하는 현상은 물리적 구조와 연관이 깊습니다. 이는 물체의 단면 2차 모멘트(I)와 직접적인 관계가 있습니다. 중심축에 가까울수록 단면의 면적 대비 힘의 영향을 더 많이 받게 되므로 Shear stress가 높게 나타나며, 멀어질수록 이 힘의 분포가 감소하여 Shear stress도 줄어드는 것입니다.

3. 끝단면에서의 Shear Stress 계산

끝단면에서의 Shear stress가 h/2일 때 0이 되는 현상은 다음 수식으로 설명할 수 있습니다. Shear stress(\(\tau\))는 VQ/It로 계산됩니다. 여기서 V는 전단력, Q는 단면의 1차 모멘트, I는 단면의 2차 모멘트, t는 두께입니다. 끝단에서는 Q가 0이 되기 때문에 Shear stress도 0이 됩니다.

• V (전단력): 물체를 통과하는 힘
• Q (단면의 1차 모멘트): 중심축으로부터 단면까지의 거리에 단면적을 곱한 값
• I (단면의 2차 모멘트): 단면의 '강성'을 나타내는 값
• t (두께): 물체의 두께

결론적으로, Shear stress의 분포와 크기는 다양한 요소에 의해 영향을 받으며, 이를 정확히 이해하기 위해서는 고체역학의 기본적인 개념뿐만 아니라 실제 적용 사례를 통한 이해가 필요합니다.

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