압축 (물리학)
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1. 개요
압축은 물체에 물리적 힘을 가했을 때 부피가 감소하거나 변형이 일어나는 현상을 의미한다. 압축은 재료의 원자 및 분자 위치를 변화시켜 변형을 유발하며, 압축력에 따라 탄성 또는 소성 변형을 겪을 수 있다. 고체는 압축에 의해 부피, 단면적, 길이가 변화하며, 액체와 기체는 등방성 압축에 반응한다. 압축은 재료 과학, 토목 공학 등 다양한 분야에서 활용되며, 재료의 기계적 특성 측정, 가스 및 액체의 저장 및 운송, 엔진 효율 향상, 재활용 등 다양한 목적으로 사용된다.
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2. 압축의 원리
물체에 힘을 가했을 때 복원력을 잃으면 찌그러짐이 발생한다. 캔이나 페트병을 찌그러뜨리는 경우가 대표적이다.
2. 1. 탄성 변형과 소성 변형
물체에 물리적 힘을 가했을 때 복원력을 잃으면 찌그러짐이 발생한다. 캔이나 페트병을 찌그러뜨리는 경우가 대표적인 예시이며, 이렇게 찌그러진 캔이나 페트병은 재활용 센터에서 재활용된다.2. 2. 유체의 압축
캔의 찌그러짐, 페트병의 찌그러짐은 유체의 압축 현상과 관련이 있으며, 재활용 센터에서 이러한 압축 과정을 볼 수 있다.3. 압축의 영향
캔이나 페트병이 찌그러지는 것은 압축의 영향을 보여주는 예시이다. 이러한 모습은 재활용 센터에서 흔히 볼 수 있다.
3. 1. 응력과 변형
물체에 물리적 힘을 가했을 때 물체가 복원력을 잃으면 찌그러짐이 생긴다. 압축(또는 다른 유형의 응력)을 받으면 모든 재료는 원자 및 분자의 평균 상대 위치가 바뀌는, 감지할 수 없는 변형을 겪게 된다. 변형은 영구적일 수도 있고 압축력이 사라지면 반전될 수도 있다. 후자의 경우, 변형은 압축력에 반대하는 반작용력을 발생시키고 결국 균형을 이룰 수 있다.[4]
액체와 기체는 정상적인 단축 또는 양축 압축을 견딜 수 없으며, 즉시 영구적으로 변형되고 어떠한 영구적인 반작용력도 제공하지 않는다. 그러나 등방성 압축은 견딜 수 있으며, 예를 들어 음파에서 일시적으로 다른 방식으로 압축될 수 있다.
모든 일반적인 재료는 등방성 압축을 받으면 부피가 수축하고, 균일한 양축 압축을 받으면 단면적이 수축하며, 단축 압축을 받으면 길이가 수축한다. 변형은 균일하지 않을 수 있으며 압축력과 정렬되지 않을 수 있다. 압축이 없는 방향에서 일어나는 일은 재료에 따라 다르다.[2] 대부분의 재료는 해당 방향으로 팽창하지만 일부 특수 재료는 변하지 않거나 수축하기까지 한다. 일반적으로 재료에 가해지는 응력과 그로 인한 변형 간의 관계는 연속체 역학의 핵심 주제이다.
3. 2. 재료의 특성
물체에 물리적 힘을 가했을 때 물체가 복원력을 잃을 때 생긴다. 압축(또는 다른 유형의 응력)을 받으면 모든 재료는 원자 및 분자의 평균 상대 위치가 바뀌는, 감지할 수 없는 변형을 겪게 된다. 변형은 영구적일 수도 있고 압축력이 사라지면 반전될 수도 있다. 후자의 경우, 변형은 압축력에 반대하는 반작용력을 발생시키고 결국 균형을 이룰 수 있다.[4]액체와 기체는 정상적인 단축 또는 양축 압축을 견딜 수 없으며, 즉시 영구적으로 변형되고 어떠한 영구적인 반작용력도 제공하지 않는다. 그러나 등방성 압축은 견딜 수 있으며, 예를 들어 음파에서 일시적으로 다른 방식으로 압축될 수 있다.
모든 일반적인 재료는 등방성 압축을 받으면 부피가 수축하고, 균일한 양축 압축을 받으면 단면적이 수축하며, 단축 압축을 받으면 길이가 수축한다. 변형은 균일하지 않을 수 있으며 압축력과 정렬되지 않을 수 있다. 압축이 없는 방향에서 일어나는 일은 재료에 따라 다르다.[2] 대부분의 재료는 해당 방향으로 팽창하지만 일부 특수 재료는 변하지 않거나 수축하기까지 한다. 일반적으로 재료에 가해지는 응력과 그로 인한 변형 간의 관계는 연속체 역학의 핵심 주제이다.
4. 압축의 활용
압축은 다양한 분야에서 활용된다.
- 재활용: 캔과 페트병을 찌그러뜨려 부피를 줄여 재활용 센터에서 효율적으로 처리한다.
- 산업 현장: 기체는 공간 절약을 위해 압축된 형태로 저장 및 운송한다. 압축된 공기는 풍선, 고무 보트 등 팽창식 구조물에 사용되며, 압축된 액체는 유압 장비와 수압 파쇄에 활용된다.
- 재료 과학: 고체의 압축은 재료 과학, 물리학, 토목 공학에 큰 영향을 미친다. 압축을 통해 압축 강도, 탄성 계수 등 재료의 특성을 측정할 수 있다.[5]
4. 1. 재료 과학
고체의 압축은 재료 과학, 물리학, 토목 공학에 많은 영향을 미치며, 압축은 상당한 양의 응력과 장력을 발생시킨다.
압축을 유도함으로써 압축 강도 또는 탄성 계수와 같은 기계적 특성을 측정할 수 있다.[5]
압축 기계는 매우 작은 탁상형 시스템부터 53 MN 이상의 용량을 가진 시스템까지 다양하다.
4. 2. 산업 현장
기체는 공간 절약을 위해 압축된 형태로 저장 및 운송되는 경우가 많다. 약간 압축된 공기 또는 기타 기체는 풍선, 고무 보트 및 기타 팽창식 구조물을 채우는 데 사용된다. 압축된 액체는 유압 장비와 수압 파쇄에 사용된다.
4. 3. 엔진
내연 기관에서 폭발성 혼합물은 점화되기 전에 압축되는데, 이는 엔진의 효율성을 향상시킨다. 예를 들어, 오토 사이클에서 피스톤의 두 번째 행정은 첫 번째 전진 행정으로 실린더로 유입된 혼합물의 압축을 수행한다.[6]증기 기관의 경우, 배기 밸브를 닫아 피스톤의 행정이 거의 완료되기 전에 실린더 내의 배기 증기 일부를 가두는 방식을 의미한다. 이 증기는 행정이 완료되면서 압축되어 피스톤의 속도가 급격히 감소하는 동안 피스톤이 작동하는 쿠션을 형성하여 왕복 부품의 관성으로 인한 메커니즘의 응력을 줄여준다.[7] 또한 이러한 압축은 왕복 행정을 위한 새로운 증기의 유입으로 인해 발생할 수 있는 충격을 방지한다.
4. 4. 재활용
캔과 페트병을 찌그러뜨려 부피를 줄이는 것은 재활용 과정의 일부이다. 재활용 센터에서는 이러한 압축 과정을 통해 재활용품을 효율적으로 처리한다.참조
[1]
서적
Mechanics of Materials
McGraw-Hill Professional
1992
[2]
간행물
The uniaxial compression test
Delft University of Technology
1998
[3]
서적
Practical Stress Analysis in Engineering Design
CRC Press
2009
[4]
서적
A First Course in Continuum Mechanics
Prentice-Hall, Inc.
1977
[5]
서적
Engineering Mechanics
Springer
2001
[6]
서적
Internal Combustion Engine Fundamentals 2E
https://books.google[...]
McGraw Hill Professional
2018-05-01
[7]
서적
Energy resources: occurrence, production, conversion, use
https://books.google[...]
Birkhäuser
2000
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