꿀잼 기계항공공학

 물리나 역학을 처음 배우다보면 자유물체도라는 것을 접하게 된다. 어떻게 해서든 그 자유물체도를 접하게 될 것이다. 수업을 통해서 알게 될 때도 있고, 시험 공부를 하면서 푸는 족족 틀리게 되다 보면 자유물체도의 중요성을 알게 될 수도 있을 것이다..  

 자유물체도는 그렇게 어려운 개념은 아니다. 어떤 물체에 대한 운동 방정식이나 지배 방정식을 찾기 위해선 그 물체에 작용하는 외력을 모두 찾아내는게 중요한데 그 때 쓰는 그림이 "자유 물체도"이다. 

그림으로 표현해줘봐 엉엉..

 최근 포스팅 중에서 뉴턴의 2법칙에 대해 깊게 고민해보고 활용하는 문제에 대한 이야기를 한 것이 있다.  이 포스팅을 할 때 문제에 대한 개략적인 그림과 함께 운동을 쉽게 이해하게 하기 위한 그림을 그린 적이 있는데 바로 그 그림이다. 

 이 책에서 보면 (b)에 있는 그림이 있는데 그게 바로 자유물체도라는 것이다. 

 이렇게 한 물체를 간단하게 나타낸 후 그 물체에 작용하는 힘을 모두 표시한 것이 자유물체도가 되겠다. 이런 질점 뿐만 아니라 다른 강체에도 활용이 가능하다. 

 이것은 보에 대한 자유물체도이다. 이렇게 세분화되어 있는 것을 보니 전단력선도와 굽힘모멘트선도를 그리기 위해서 한 것 같다. 두 선도에 관한 이야기는 일단 나중으로 미루겠다..

 자유물체도란 결국 물체에 작용하는 모든 외력과 모멘트 간단히 그림으로 표현한 것이다. 

자유물체도를 그리는 이유?

 다들 알고 있겠지만 이렇게 자유물체도를 이용하는 이유는 물체에 작용하는 외력을 분석하기 편하기 때문이다. 물체를 간단히 점이나 간단한 모양으로 표현한 후 물체에 작용하는 외력과 모멘트를 모두 그림으로 표현하여 수식에 반영한 후 운동방정식을 표현해낼 수 있다. 이 그림을 그리기 위해서 물체에 작용하는 외력을 최대한 모두 반영해야만 올바른 운동방정식을 산출해낼 수 있어서 역학 문제에 접근할 때 꼭 쓰는 방법인 것 같다. 

 호스 내부의 유체의 운동방정식을 산출하는 예제이다. 이 예제처럼 자유물체도를 작성함으로써 유체에 작용하는 모든 외력을 표시하여 알아볼 수 있다. 

자유물체도와 관련한 일화..

 나는 좋은 교수님을 만났었다. 이 별거 아닌 것 같은 그림을 엄청 강조하시던 교수님이셨는데, 정역학 수업에서 이 그림을 틀릴 경우에는 가차없이 0점을 주겠다고 엄포를 놓으셨었다.  물론 나는 그 그림의 중요성을 일치감치 알고있어서 틀리지 않게끔 연습을 하였었다. 아마도, 대학에 다니다보면 이 자유물체도를 작성하는 방법에 대해서 강조하시는 교수님들이 꼭 한 두분씩 있을 것이다. 자유물체도 별거 아닌것 같아도 굉장히 중요한 해석방법이다. 

 기계공학과의 역학 과목의 경우 이 자유물체도가 대부분의 역학을 지배하고 있다고 봐도 될 정도다. 이 그림을 꼭 잘 그릴 수 있는 기계공학도가 되어보자. 기계공학이 더 재미있어 질 것이다!