탄성변형 – 탄성계수와 재료의 딱딱함
탄성변형이란?
탄성변형은 외부에서 힘을 주었을 때, 재료가 일시적으로 늘어나거나 눌리는 현상을 말한다. 중요한 건, 힘을 제거하면 재료가 **원래 상태로 되돌아온다**는 점이다. 예를 들어 고무줄처럼 당겼다가 놓으면 다시 원래 길이로 돌아오는 것이 바로 탄성변형이다.
탄성계수란 무엇인가?
탄성계수는 재료가 얼마나 ‘딱딱한지’, 또는 ‘얼마나 쉽게 늘어나는지’를 나타내는 수치이다. 대표적으로 아래 두 가지가 많이 쓰인다:
- 탄성계수 (Elastic Modulus, E): 숫자가 클수록 잘 안 늘어난다 → ‘딱딱함’
- 포아송비 (Poisson’s Ratio, ν): 가로 방향으로 누르면 세로로 얼마나 튀어나오는지
예를 들어, 고무처럼 잘 늘어나는 재료는 탄성계수가 작고, 다이아몬드처럼 딱딱한 재료는 탄성계수가 매우 크다.
🧱 금속류 (a Metals)
재료E (GPa)특징
| 알루미늄 | 70.3 | 가볍고 적당히 단단 |
| 철 (mild steel) | 212 | 단단하고 강함 |
| 텅스텐 | 411 | 매우 단단함, 고온 사용 가능 |
🧴 폴리머류 (b Polymers)
재료E (GPa)특징
| ABS 플라스틱 | 2.4 | 부드럽고 유연 |
| 폴리에틸렌 HDPE | 1.0 | 가장 말랑한 수준 |
💡 금속에 비해 폴리머는 E 값이 1/100 수준일 수도 있음→ 매우 유연!
🧪 세라믹/유리류 (c Ceramics and Glasses)
재료E (GPa)특징
| 다이아몬드 | 960 | 지구상에서 가장 딱딱 |
| 알루미나(Al₂O₃) | 400 | 단단하고 열에 강함 |
| 소다라임 유리 | 70 | 우리가 아는 유리잔 재료 |
균질성과 등방성이란?
이 슬라이드에서 나오는 두 가지 개념도 함께 정리하자면 다음과 같다:
- 균질(Homogeneous): 재료의 어디를 잘라도 속성이 똑같다
- 등방성(Isotropic): 어느 방향으로 힘을 줘도 반응이 똑같다
예를 들어, 공처럼 완전히 대칭적인 물체는 등방성을 가진다고 볼 수 있다. 유리처럼 내부는 불규칙하지만 전체적으로 비슷한 특성을 가지면, 거시적으로는 등방성과 균질성을 ‘가정’할 수 있다.
| 상태 | 설명 |
| 균질 | 속이꽉찬 하나의 덩어리 같음 |
| 등방성 | 방향에 상관없이 똑같이 반응 |
| 탄성계수 E ↑ | 더 딱딱함 (ex. 다이아몬드) |
| 탄성계수 E ↓ |
더 말랑함 (ex. 고무, 플라스틱) |
재료별 탄성계수 비교표
다양한 재료의 탄성계수를 살펴보면, 금속, 폴리머, 세라믹류마다 딱딱함의 정도가 매우 다르다는 것을 알 수 있다:
🔹 금속 (Metals)
| 재료 | E (GPa) | 특징 |
|---|---|---|
| 알루미늄 | 70.3 | 가볍고 적당히 단단 |
| 철 (mild steel) | 212 | 일반적인 강철 |
| 텅스텐 | 411 | 고온에 강하고 매우 단단 |
🔹 폴리머 (Plastics)
| 재료 | E (GPa) | 특징 |
|---|---|---|
| ABS 플라스틱 | 2.4 | 가볍고 유연함 |
| 폴리에틸렌 (HDPE) | 1.0 | 비닐봉지, 물병 재질 |
🔹 세라믹 및 유리류
| 재료 | E (GPa) | 특징 |
|---|---|---|
| 다이아몬드 | 960 | 가장 단단한 천연물질 |
| 알루미나 (Al₂O₃) | 400 | 고온 세라믹 |
| 일반 유리 | 70 | 식기, 유리잔 등에 사용 |
요점 정리
- 탄성계수 E는 재료가 얼마나 '단단한지'를 나타내는 숫자다.
- 값이 클수록 딱딱하고, 작을수록 말랑하다.
- 균질한 재료: 어디를 봐도 성질이 똑같다.
- 등방성 재료: 어느 방향으로 힘을 줘도 반응이 같다.
- 금속 > 세라믹 > 플라스틱 순으로 일반적으로 더 딱딱하다.