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탄성(elasticity)

작성일 2010-08-24

외력(外力)에 의해 변형된 물체가 외력을 제거하면 원래의 상태로 돌아가려는 성질. 이 때 원래의 모양으로 되돌아가는 변형을 탄성변형이라 한다.

힘을 점점 크게 하면, 마침내는 힘을 0으로 되돌려도 변형이 남게 된다.

이것을 소성(塑性)이라 하며, 원자끼리의 연결이 바뀌어 새로운 안정된 배치로 옮겼기 때문이다.

탄성을 나타내는 변형력(응력)의 한도를 탄성한계라 한다.

탄성변형은 밖에서 가한 힘에 의해 원자배치가 안정한 구조에서 약간 변화하는 것인데, 이 변형을 일그러짐이라 한다.

일그러짐에는 늘어남을 나타내는 일그러짐과 층밀리기를 나타내는 일그러짐이 있는데, 후자는 아래위로 늘어선 원자의 위치가 가로방향으로 밀리는 것을 나타낸다.

물체 속의 원자의 배치는 밖으로부터 힘을 가하지 않은 상태에서 가장 에너지가 낮은 상태에 있으므로, 원자의 배치를 약간 변화시키면 반드시 에너지가 높은 상태가 된다.

따라서 일그러짐이 생기게 하려면, 면(面)을 통해 에너지 증가분만큼의 일을 해야 한다.

이것이 변형력의 원인이다.

일그러짐이 생기고 있는 물체는 그만큼 에너지를 축적하고 있는 셈이 되는데, 이 에너지를 탄성에너지라 한다.

늘어나기 일그러짐을 일으키는 응력은 면에 수직인 방향의 힘이며, 층밀리기 일그러짐을 일으키는 변형력은 면에 평행한 힘이다.

일그러짐이 작은 범위에서는, 변형력과 일그러짐의 크기 사이에 비례관계가 존재한다.

이 관계를 훅의 법칙이라 하며, 그 비례계수가 탄성률(탄성계수)이다.

훅의 법칙이 성립하지 않게 되는 값(변형력의 크기로 나타낸다)을 비례한계라고 하며, 탄성한계와 거의 같은 값이지만, 일반적으로 탄성한계보다 약간 작다.

탄성계수에는, 늘어나기 일그러짐과 변형력의 관계를 나타내는 영률(Young率) 및 층밀리기 일그러짐과 변형력의 관계를 주는 강성률(剛性率 ; 층밀리기의 탄성률)과 정수압(靜水壓 ; 모든 방향에 고른 압력)에 의한 부피변화의 비율을 주는 부피탄성률 등이 있다.

어떤 방향으로 늘어나기(또는 줄어들기)의 일그러짐을 생기게 했을 때, 그 방향과 수직인 방향에 반대부호의 일그러짐(늘어나기에 대해 줄어들기, 줄어들기에 대해 늘어남)이 생기는데, 이 2가지 일그러짐의 비율을 푸아송비(比)라 한다.

변형력의 크기가 탄성 한계를 넘으면, 변형력이 0이 되어도 일그러짐이 남는데, 이 일그러짐을 영구 일그러짐 또는 잔류(殘留)일그러짐이라 한다.

금속 등에서는 탄성한계를 넘어 변형력을 가했을 경우, 변형력이 일정하게 유지되더라도 변형이 연속적으로 진행된다.

이 때의 변형력을 항복점이라 한다.

탄성한계 내에서 가했던 외력을 제거해 변형력의 작용으로 원래의 평형상태로 되돌아가기까지에는 유한한 시간이 필요한데, 이것을 탄성여효(彈性餘效)라 한다.

탄성한계 내의 변형력을 발생시킨 뒤 이를 0으로 할 때, 변형력이 증가해 갈 때와 감소해갈 때와는 변형력의 값이 같더라도 일그러짐의 값은 다른 경우가 있다.

이 현상을 탄성 히스테리시스라 한다.

일그러짐의 크기를 재는 방법으로는 가는 금속선을 물체에 붙여, 물체의 변형에 따라 금속선도 동시에 일그러지는 것을 이용해 그 전기저항의 변화를 측정하는 방법 등이 쓰인다.


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