[물리] 탄성력

탄성력

 탄성력이란 물체가 외부의 힘에 변형된 상태에서 원래대로 돌아갈 때 발생하는 힘이다. 예를 들어 용수철을 압축했다가 놓으면 튀어 오르는 것, 고물줄을 당겼다가 놓으면 튕겨지는 것이 있다. 특히 물체의 탄성은 신소재를 개발할 때 중요하게 여기는 성질 중 하나로 탄성이 크면 부품이나 기계를 만들 때 외부의 힘에 대한 저항력이 강해진다.

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• 탄성력의 특징

1. 탄성력의 근원
 탄성력은 응력 때문에 생긴다. 응력이란 물체 내부에서 고체나 액체를 이루게 하는 인력이다. 물체는 원래 응력으로 일정한 모양을 유지하고 있다. 그런데 만약 외부에서 응력보다 큰 힘을 주어 변형시킨 뒤 그 힘을 없애면 다시 응력에 의해서 원래의 모양으로 돌아오는 것이다.

2. 탄성계수
 모든 물체는 응력이 있기 때문에 탄성을 가진다. 그러나 물체의 탄성의 정도는 각기 다르다. 그것은 탄성계수 때문이다. 탄성계수는 물체를 변형시키기 위해 필요한 힘을 나타내는 계수이다. 어떤 물체의 탄성계수가 클수록 힘이 많이 필요하기 때문에 변형시키기 어려운 물체라고 할 수 있다

3. 탄성한계
 외부의 힘을 받을 때 너무 많은 힘을 받으면 힘을 없애도 원래 상태로 돌아오지 않게 된다. 물체가 버틸 수 있는 최대의 힘을 탄성한계라고 한다. 

 

• 용수철

1. 훅의 법칙
 훅의 법칙은 로버트 훅이라는 과학자가 용수철을 통해 발견한 법칙이다. 어떤 물체를 변형시키기 위해 가해야 하는 힘은 용수철의 변형 정도와 용수철상수에 비례한다는 법칙이다. 공식은 F = kx이다. (F는 힘, k는 용수철 상수, x는 용수철이 늘어난 길이이다.) 이때, 용수철 상수는 재질, 굵기, 길이 등 여러 요인에 의해 변한다.

2. 고무줄과 용수철
 고무줄과 용수철 둘 다 탄성을 가지고 있지만 그 원리는 약간 다르다. 고무줄은 본래 탄성을 가지고 있는 물체이지만 철은 탄성이 적은 편이다. 그래서 철을 용수철 모양으로 가공하여 구조적으로 탄성을 가지게 만든 것이다.

 

• 점탄성

점성은 끈적한 정도를 나타낸다. 탄성처럼 응력에 의해서 나타나는 성질인데 어떤 물체의 움직임을 방해한다. 즉, 물을 바닥에 뿌리면 그대로 흘러버리지만 꿀을 바닥에 뿌리면 물보다는 천천히 그리고 적게 흐른다. 그래서 점탄성은 점성과 탄성을 동시에 가지고 있는 것을 말한다. 꿀은 점성이 있어서 길게 늘어뜨리면 걸쭉한 상태로 늘어져있지만 탄성이 없어서 원래대로 돌아오지 않는다. 스프링은 탄성이 있어 변형되었다가 원래대로 돌아오지만 꿀처럼 다양한 모양으로 변형될 수 없다. 껌의 경우 길게 늘어뜨리면 늘어져있고 다시 놓으면 되돌아온다. 또 풍선을 불거나 다양한 모양으로 변형시킬 수 있다. 점탄성을 가졌기 때문이다