기계공학과 4대역학 학문의 갈래

기계공학과의 핵심과목은 4대역학(재료역학, 동역학, 열역학, 유체역학)입니다. 오늘은 '대상물체가 무엇이냐'는 관점으로 4대역학을 분류해보겠습니다. 

1. 연속체 가정

기계공학과에서 다루는 물체들은 '연속체'라는 가정을 내포하고 있습니다. 우리 주변에 있는 모든 물체를 확대하고 또 확대하면 원자와 빈공간으로 이루어져 있습니다. 물체를 '미시적'으로 보면 빈공간이 있고 불균일(어느 부분을 택하느냐에 따라 성질이 달라짐)한 상태입니다. 따라서 물체를 해석하려면 원자모델로 접근해야하는데, 너무 어렵고 복잡합니다. 우리의 선배들은 쉽고 효율적으로 물체를 해석하기 위한 방법을 찾아냈습니다. 몇가지 가정을 하고 연속체라는 개념을 탄생시킨 것인데요. 물체 내부에 빈공간이 없다는 가정과 균일하다는 가정입니다. '연속체'는 이렇게 등장하게 되었습니다. 

2. 고체와 유체

연속체는 크게 '고체'와 '유체'로 나뉩니다. 일상적으로 고체와 유체를 구분하는 것은 어렵지 않습니다. 액체, 기체가 유체이고 고체는 고체죠. 하지만 공학에서는 더 명확한 기준이 필요합니다. 공학에서는 힘에 대한 반응을 기준으로 고체와 유체를 나눕니다. 고체는 힘을 받으면 변형되는데, 힘을 가하고 있다고 해서 무한히 변형되지는 않습니다. 지우개를 눌러 보면, 내가 누르는 힘과 지우개가 변형되어 저항하는 힘이 평형을 이루는 지점에서 변형을 멈춥니다. 이런 물질을 고체라고 합니다. 하지만 액체의 경우는 다릅니다. 물 위에 판자 하나가 있다고 해봅시다. 이 판자를 손으로 밀면 끊임 없이 움직입니다. 힘을 받으면 끊임 없이 변형하는 것이죠. 이런 물체를 유체라고 합니다. 

+너무 단단(rigid)해서 변형이 없다고 가정한 물체가 '강체'입니다. 

3. 재료역학

재료역학에서는 힘을 받은 고체에 대해 공부합니다. 힘의 평형상태만을 다루기 때문에 움직임은 없다고 가정합니다. 힘을 받을 때 고체의 '변형'에 대해서만 다루는 것입니다. 힘을 받은 고체 내부에는 '응력'이 발생하게 되고 이 응력이 재료의 파손기준이 되기 때문에 중요합니다. 재료에 대한 이해를 통해 안전한 구조물을 설계하는 것이 목적입니다. 

4. 동역학

동역학에서는 힘을 받은 강체에 대해 공부합니다. 가속도를 고려하기 때문에 움직이는 물체를 다룹니다. 대신 변형되지는 않습니다. 동역학에서는 크게 두가지를 배우는데 운동학과 운동역학을 배웁니다. 운동학은 물체의 운동을 단순히 기술한 것이고 운동역학은 이러한 운동의 근원이 되는 힘과의 관계까지 규명합니다. 부피(면적)이 없는 질점으로 시작해서 부피(면적)이 있는 강체로 개념을 확장해 가며 공부합니다. 차원의 관점에서는 간단한 2차원에서 3차원으로 개념이 확장됩니다.

5. 유체역학

정지해있는 유체(유체정역학), 힘을 받아 움직이는 유체(유체동역학)에 대해 공부합니다. 유체정역학은 정지한 유체가 받는 압력을 계산하는데 깊이와 밀도에 따라 압력이 달라집니다. 유체동역학은 층류와 난류, 점성과 비점성 등에 따라 분류됩니다. 베르누이방정식, 나비어스톡스방정식을 유도하고 적용하는 것을 배웁니다. 

6. 열역학

열역학은 재료,동,유체역학과는 다르게 특정한 대상 물체가 있는 학문은 아닙니다. 열역학은 물체와 물체 사이를 오가는 '열'을 다루는 학문입니다. 열은 에너지를 전달하는 방식이고, 물체에 '열에너지'를 전달합니다. 이 열에너지를 기계적인 에너지로 전환할 수가 있는데 이 과정을 '사이클'이라고 합니다. 열역학의 핵심은 '사이클'입니다. 자동차의 내연기관, 에어컨의 냉난방 사이클 등에 사용니다. 

*4대역학 학문의 갈래 영상입니다. 참고하세요.