춘천교육지원청 영재교육원 과학 - 생활 속 문제 융합적으로 해결하기 : 점탄성 (by 성림초등학교 고준)

춘천교육지원청 영재교육원 과학 2023 

생활 속 문제 융합적으로 해결하기 : 점탄성

성림초등학교 고준

 

 

 

 

 

 

 

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점탄성

[ Viscoelasticity ]

점탄성(영어: viscoelasticity)은 변형이 일어날 때 점성 및 탄성 특성을 모두 나타내는 재료의 특성이다. 물과 같은 점성 물질은 응력이 가해졌을 때 시간에 대해 선형적으로 전단(shear) 흐름이나 변형에 저항한다. 탄성 물질은 잡아당기면 변형이 일어나지만 응력을 제거하면 곧바로 원래의 상태로 되돌아온다.

점탄성 물질은 이러한 특성을 모두 가지고 있기 때문에 변형이 일어나도 시간에 따라 그 정도가 달라진다. 탄성(elasticity)은 대개 정렬된 고체에서 원자간 결합이 늘어나거나 압축되어 발생하는 데에 반해, 점도는 무정형 물질 안에 있는 원자나 분자의 확산의 결과이다.

19세기에 맥스웰, 볼츠만, 켈빈과 같은 물리학자들은 유리, 금속, 고무 등의 물질에서 발생하는 크리프(creep)와 회복에 대해 연구하고 실험하였다. 점탄성은 20세기 후반에 합성고분자를 인공적으로 만들어 사용하게 되면서 더욱 관심을 받아 연구되었다. 점탄성은 점성 변수 η에 의존한다. η의 역은 유동성, φ으로도 알려져 있다. 이 값은 온도의 함수로 도출할 수 있다.

점성은 물질의 변형 정도에 대한 물질 내부의 응력 반응에 따라 선형, 비선형 또는 소성 반응으로 분류할 수 있다. 선형 반응을 보이는 물질을 뉴턴 물질이라고 한다. 이 경우 응력은 변형률에 선형적으로 비례한다. 물질의 응력이 변형률에 비선형 반응을 보인다면 비뉴턴 유체로 분류된다. 전단과 변형률 사이의 비율이 일정하게 유지되는 상태로 점성은 감소하는 흥미로운 사례도 있다. 이런 특성을 보이는 물질을 요변성(thixotric) 물질이라고 한다. 또한 응력이 가해진 변형률에 큰 의존성을 보이지 않는 물질을 소성(plastic) 물질이라고 한다. 많은 점탄성 물질은 고분자 탄성을 열역학적으로 설명할 수 있는 고무와 비슷한 특성을 보인다.

점탄성 물질의 예로는 비정형 고분자, 준결정성 고분자, 생체고분자, 고온의 금속과 비튜멘(bitumen) 물질 등이 있다. 물질에 탄성 한계를 넘는 변형을 급속히 가하게 되면 균열이 발생한다. 인대와 힘줄은 점탄성이 있어서 이들이 손상을 입는 정도는 변형이 일어나는 속도와 가해진 힘에 모두 영향을 받는다.

 

점탄성 재료는 다음과 같은 특성을 가지고 있다. · 이력(hysteresis)은 응력-변형곡선에서 볼 수 있다. · 응력 완화 : 일정한 스트레인을 계단식으로 가할 때 물질내 응력이 감소한다. · 크리프 발생 : 일정한 응력을 계단식으로 가할 때 물질의 변형률이 증가한다.

탄성만을 갖는 물질과 달리 점탄성 물질은 탄성 성분과 점성 성분을 갖고 있다. 점탄성 물질의 점성 성분 때문에 변형률이 시간 의존성을 갖는다. 탄성 물질은 부하를 가한 후 이를 제거했을 때 에너지 손실이 없지만 점성 물질은 에너지 손실이 있다. 응력-변형 곡선의 경우에 이력 특성이 보이는데 이력 곡선 내부의 면적이 손실된 에너지에 해당한다.

점탄성은 분자 재배열에 의한 현상이다. 예를 들어 고분자 물질에 응력이 가해지면 고분자 사슬의 일부의 분자의 위치가 변하게 된다. 이와 같은 분자의 이동이나 재배열을 크리프라고 한다. 고분자는 응력이 가해져서 사슬의 일부가 재배열이 되더라도 고체 상태를 유지하는데, 이때 물질에 반동 응력을 다시 가하게 된다. 외부에서 가해준 응력이 제거되더라도 내부적으로 생긴 반동 응력이 고분자를 원래 위치로 돌아가도록 만들어준다. 물질이 이와 같은 크리프 현상을 보이기 때문에 점성이 있다고 하고, 시간이 지나면 원래 상태로 돌아오기 때문에 탄성이 있다고 한다.

크리프 반응과 부하 함수를 분리할 수 있다면 점탄성이 선형적이라고 한다. 모든 선형 점탄성 모델은 응력과 변형을 연결하는 볼테라 방정식으로 나타낼 수 있다. 선형 점탄성은 일반적으로 작은 변형에만 적용된다.

비선형 점탄성은 크리프 반응과 부하에 대해서 함수가 분리되지 않는 경우로 일반적으로 변형이 크거나 변형에 의해 재료의 특성이 변경될 때 발생한다. 비탄성 물질은 점탄성 물질의 특수한 경우로서, 비탄성 물질은 부하 제거 시 원래 상태로 완전히 복구된다.

[네이버 지식백과] 점탄성 [Viscoelasticity] (물리학백과)

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