[역학-정역학]2.하중

정역학 문제를 해결할 때 자유물체도를 그리는데 이는 물체(또는 시스템)에 작용하는 하중을 한눈에 보기 위함이다. 하중에는 힘과 모멘트가 있다. 이번 글에서는 힘과 모멘트에 대해 알아보자.

 

힘이란 물체와 물체의 운동상태에 영향을 미칠 수 있는 주변과의 상호작용을 말한다.[1] 힘의 SI단위는 뉴턴(N)이고, 힘을 표현할 때는 작용점과 크기, 방향이 필요하다. 힘을 벡터 양으로 나타내기 때문이다. 주로 F 로 표시하며 그림에서는 화살표와 함께 그린다.

 

정역학에서 다루는 힘에는 여러 종류가 있다. 가장 대표적인 것이 중력(gravitational force)이고, 그 외에도 마찰력(friction force), 수직력(normal force), 인장력(tension force), 압축력(compressive force), 전단력(shear force) 등이 있다.

 

물체에는 여러 힘이 동시에 작용하는 경우가 대부분이다. 따라서 여러 힘을 하나로 합쳐 한 힘이 작용하는 것처럼 표시한다. 이를 위해 벡터합을 이용해 힘을 더한다. 

 

모멘트는 물체를 회전하려고 할 때 물체에 작용하며 토크(torque)라는 용어로 표현하기도 한다. 힘이 작용할 때 작용점과 떨어진 지점에는 모멘트가 생긴다. 힘과 마찬가지로 모멘트 역시 벡터 양이고, 크기와 방향이 존재한다.

모멘트의 크기는 r×F 의 크기이다. (여기에서 r 은 위치벡터로 모멘트 중심에서 힘의 작용선의 임의 점을 잇는 벡터이다.) r×F 의 값은 위치벡터의 크기와 위치벡터에 수직인 힘 성분의 곱이다. 모멘트의 방향은 r×F 의 방향이다. 모멘트 벡터는 r, F 두 벡터에 모두 수직이고 오른손 법칙에 따라 정해진다.

 

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[1] Sheri D. Sheppard • Benson H. Tongue, 백태현 외 6인 공역, 『정역학』, 인터비젼, 2006