변형률과 응력(Strain and Stress)
과학과 기술이 발달한 지금도 지구 내부를 직접 관찰하기는 불가능한 실정이다. 시추 기술의 발달로 땅속으로 몇 km는 뚫을 수 있지만, 이 깊이도 지구 크기와 비교할 때 거의 무시할 수 있는 값이다. 따라서 지구 내부를 연구하기 위해서는 간접적인 방법으로서 지구 내부의 정보를 가지고 있는 자료를 이용하는 것이다. 지진에 의해 발생된 탄성파를 지진파라고 한다. 지진파는 지구를 매체로 하여 전달되므로 지구 내부에 관한 정보를 가지고 있다. 따라서 지구 내부, 특히 맨틀과 핵을 연구하기 위한 중요한 방법 중의 하나는 지진파를 연구하는 것이다. 지진파를 연구하기 위한 기초적인 요소는 먼저 탄성체의 성질을 이해하는 것이 중요하다. 물체가 외부로부터 힘을 받으면 그 크기나 모양이 변하나, 그 힘을 제거하면 다시 본래의 상태로 되돌아가는 성질을 탄성(elasticity)이라고 한다. 탄성의 성질을 가진 물체를 탄성체라고 하고, 탄성체의 이해는 지구 물리뿐만 아니라 구조 지질학, 지구 동력학, 지질 공학 등에서 매우 중요하게 사용된다. 탄성체의 성질을 이해하기 위하여 변형률과 응력의 개념을 알아야 한다. 그리고 이 단원에서는 벡터의 텐서에 관한 사전 지식을 요구 한다.
1. 변형률 (Strain)
1-1. 1차원에서 변형률
물체가 힘을 받아 크기나 모양의 변화, 즉 변형(deformation)이 되었을 때 변형 전의 상태와 비교하면 변위(displacement)가 일어난다. 먼저 1차원에서 변형을 알아보자. 그림 1-1의 (a)와 (b)에서 점 를 고정시키고 변형 전의 점 의위치를 , 변현 후에 점 에 대응하는 점 을 , 점 에서 변위를 라고 하면, 는 혹은 (1-1)
이며, 여기서 이다. 변형 전 P와 Q의 위치를 와 라 하고(그림 1-1-a), 변형 후 두 점에 대응하는 와 의위치를 와 라 할 때(그림 1-1c), 와 은 변형 전의 와 점의 위치와 그 점에서 변이 의 합으로 표시된다.
, (1-2)
식 (1-2)에서 변형 후 선의 길이 은 와 의 차로 나타난다. 따라서 선분의 길이 은 식 (1-2)을 사용하면,
(1-3) |
2011.02.28
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