힘 (Forces)
금오공대 기계시스템공학과 오충석 (ocs@kumoh.ac.kr)
(권장) 학습 과정: 반복 학습
Practice makes perfect!
Units
Forces
Moments
Free Body Diagram
Applications
3
Contents
힘이란?
힘의 특성
Newton의 운동 법칙
힘의 종류
중력
탄성력
마찰력
강체와 변형체
힘의 관점에서 본 정역학
힘이란 ?
[Naver 백과사전]
정지하고 있는 물체를 움직이고, 움직이고 있는 물체의 속도나 운동방향을 바꾸거나 물체의 형태를 변형시키는 작용을 하는 물리 량
동역학 (Dynamics)
고체역학 (Solid Mechanics)
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힘의 특성
단위
SI(국제표준 단위)
US Customary(미국 상용 단위)
100 lbf(약 45 kgf) 연예인들: 송혜교, 장나라, 성유리, 문근영, 보아, et al.
韓國
벡터량
아이를 30 m 이동시키는 일을 함에 있어서 키 큰 아빠와 키 작은 아빠 중 누가 더 유리할까?
가정: 동일한 힘, 마찰 무시
수평(x) 방향의 힘 성분
일의 양
https://cnx.org/
x y
θ
7
2차원 상에서의 힘: 2 개의 성분
Fx, Fy or Fr, Fθ, etc.
아래 문제에서 작용력 F의 힘 성분
https://cnx.org/
x y
θ
힘의 성분을 이용한 합성[문제: Boresi]
F1 F2
F3
F4
10
12
3차원 상에서의 힘: 3 개의 성분
Fx, Fy, Fz or Fr, Fθ, Fz, etc.
아래 직각 좌표계에서 힘 벡터(F)와 y 축 사이의 각도(θy ) = ?
방향 코사인(directional cosines)
F
x
y z
θx
θy θz F
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삼각함수 이용
F
Fxy Fx
Fy Fz
Newton의 운동 법칙
1법칙: 관성의 법칙
외부에서 불 평형 힘 (unbalanced force)이 작용하지 않는 한 정지해 있는 물체는 계속 정지하려 하고 움직이는 물체는 일정 속도로 계속 움직이려 함
http://www.tutorvista.com/
정역학: 계속 정지
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2법칙: 가속도의 법칙
한 질점 (particle)에 작용하는 힘의 합은 선형 운동량 (linear momentum)의 시간 변화율에 비례
정역학: 시간에 무관
www.aaronswansonpt.com www.ask.com
3법칙: 작용 반작용의 법칙
모든 작용력(action)은 크기가 같고 방향이 반대인 반작용력(reaction; 반력)을 수반함
정역학에서 반드시 고려해야 할 법칙
https://studyingphysics.wordpress.com/
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힘의 종류
重力 (Gravitational Force)
지구의 만유인력과 자전에 의한 원심력을 합한 힘.
지표 근처의 물체를 연직 아래 방향으로 당기는 힘.
정역학: 주로 자중(dead weight)으로 작용
http://www.wonderwhizkids.com/ https://cnx.org/
탄성력 (Elastic Force)
모든 고체는 하나의 스프링으로 간주할 수 있음
외부의 힘을 제거하면 원 상태로 복귀하면 탄성임
정역학: 일정한 힘
마찰력(Frictional Force)
물체의 운동을 방해하는 방향으로 작용
저항력으로 볼 수 있음
정역학: 정 마찰만 고려
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강체와 변형체
강체(剛體; rigid body)
무한대의 힘이 작용해도 변형되지 않는 물체
여러 힘의 작용 하에서 움직이지 않음
→ 靜力學 (정역학; Statics) (정력학 1)
여러 힘의 작용 하에서 움직임
→ 動力學 (동역학; Dynamics) (동력학 1)
변형체(變形體; deformable body)
負荷 (load; 힘, 모멘트, 온도, 압력 등)가 가해지면 변형이 일어나는 물체
→ 固體力學 (고체역학; Solid Mechanics) : 정지해 있는 물체를 주로 다룸
⇒ 움직이는 물체로 확장
상대적인 개념으로 주로 사용
강체 변형체
금속 칼 종이
다이아몬드
커터 유리
주사기 바늘 피부
못 나무
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힘의 관점에서 본 정역학
정적 상태
일정한 힘: 시간에 따라 변하지 않음
시간에 무관: 공간 상의 좌표와 물리량만 필요함
대상 물체 = 강체(not steel but rigid body)
힘의 작용에도 불구하고 변형 무시
실제 물체를 하나의 質點(particle)으로 간주하기도 함: 무게중심, 질량 중심, 도심 등의 개념이 필요함
입출력
Input = Forces, Output = Forces
Newton 제 3 법칙(작용-반작용의 법칙)이 중요함
Moments: 힘에 의해 발생되는 양
