효율적인 설계 솔루션을 위한 90가지 기계 원리

고전 역학의 기초를 이루는 세 가지 물리 법칙. 제1법칙(관성)은 물체가 외부에서 작용하는 알짜힘이 없는 한 정지 상태를 유지하거나 등속 운동을 한다는 것이다. 제2법칙은 힘을 질량 곱하기 가속도로 나타낸다. 즉, (vec{F} = mvec{a}). 제3법칙은 모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 있다는 것이다.

뉴턴 유체의 전단 응력은 전단 변형률에 정비례합니다. 이러한 선형 관계는 뉴턴의 점성 법칙, 즉 (tau = mu frac{du}{dy})로 정의됩니다. 여기서 (tau)는 전단 응력, (mu)는 동점성 계수(비례 상수), (frac{du}{dy})는 전단율 또는 속도 기울기입니다.

베르누이 원리는 비점성 흐름에서 유체의 속도가 증가하면 압력 또는 위치 에너지가 동시에 감소한다는 것을 나타냅니다. 이는 움직이는 유체의 에너지 보존 법칙으로, 일반적으로 유선을 따라 (p + frac{1}{2}rho v^2 + rho gh = text{상수})로 표현됩니다.

유체역학은 액체와 기체의 정역학(정지 상태의 유체)과 동역학(운동 상태의 유체)을 다루는 응용역학의 한 분야입니다. 질량, 운동량, 에너지 보존의 기본 원리를 적용하여 유체의 거동을 분석하고 예측합니다. 유체역학은 공기역학, 수리학에서부터 기상학, 해양학에 이르기까지 매우 다양한 분야에 응용됩니다.

연속체 역학에서 질량 보존 법칙은 닫힌 계의 질량이 시간에 따라 일정하게 유지되어야 함을 나타냅니다. 유체의 경우, 이는 연속 방정식으로 표현됩니다. 오일러 미분 방정식 형태로 표현하면 다음과 같습니다. (frac{partial rho}{partial t} + nabla cdot (rho mathbf{u}) = 0), 여기서 (rho)는 밀도이고 (mathbf{u})는 속도장입니다.

연속체 역학에서 운동을 설명하는 두 가지 방법은 다음과 같습니다.

• 라그랑지안 사양은 개별 물질 입자를 추적하며, 마치 교통 체증 속에서 특정 차량을 관찰하는 것처럼 시간에 따른 입자의 속성을 추적합니다.
• 오일러식 표현은 공간상의 고정된 지점에 초점을 맞추고, 마치 고정된 교차로를 관찰하는 교통 카메라처럼 해당 지점을 통과하는 입자의 속성(속도, 밀도)을 관찰합니다.

고체역학은 연속체 역학의 한 분야로, 고체 재료의 거동, 특히 힘, 온도 변화 또는 기타 외부 하중 작용 하에서의 운동 및 변형을 연구합니다. 이는 구조물의 설계 및 분석을 위한 공학의 기본 분야입니다. 주요 연구 분야로는 탄성(복원 가능한 변형), 소성(영구 변형), 그리고 파괴 역학(균열 발생 및 전파)이 있습니다.

일반화된 훅의 법칙은 선형 탄성 재료에 대한 구성 방정식으로, 응력 텐서가 변형률 텐서에 선형적으로 비례한다는 것을 나타냅니다. 이 관계는 (sigma) = C : varepsilon)로 표현되며, 여기서 (sigma)는 응력 텐서, (varepsilon)는 변형률 텐서, (C)는 재료의 탄성 상수를 포함하는 4차 강성 텐서입니다.

이 법칙은 우주에 있는 모든 입자가 다른 모든 입자를 끌어당기며, 그 힘은 두 입자의 질량의 곱에 비례하고 두 입자 중심 사이 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 나타냅니다. 공식은 (F = G frac{m_1 m_2}{r^2})이며, 여기서 (G)는 중력 상수입니다. 이 법칙은 지상 역학과 천체 역학을 통합했습니다.

고립계에서는 전체 운동량이 일정하게 유지됩니다. 고립계란 외부 힘이 작용하지 않는 시스템을 말합니다. 이 원리는 뉴턴의 운동 법칙에서 비롯됩니다. 입자 시스템에서 전체 운동량 (vec{p}_{text{total}} = sum_{i} m_i vec{v}_i)은 외부 힘이 0일 때 보존됩니다. 이는 충돌을 분석하는 데 있어 매우 기본적인 원리입니다.

각속도 (boldsymbol{omega})로 회전하는 기준계에서, 원점으로부터의 위치 벡터 (mathbf{r})에 있는 질량 (m)인 물체에 작용하는 원심력 (mathbf{F}_{mathrm{cf}})는 벡터 공식 (mathbf{F}_{mathrm{cf}} = -m boldsymbol{omega} times (boldsymbol{omega} times mathbf{r}))로 주어진다. 이 공식은 원심력이 회전축에 수직이고 바깥쪽으로 향함을 보여준다.

쿨롱의 법칙은 정지해 있는 두 대전 입자 사이의 정전기력을 정량화합니다. 이 힘은 두 전하량의 곱에 비례하고 두 입자 사이의 거리의 제곱에 반비례합니다. 공식은 (F = k_e frac{q_1 q_2}{r^2})입니다. 이 힘은 인력 또는 척력일 수 있습니다.

정지 작용 원리에 기반하여 고전 역학을 재정립한 것입니다. 운동 에너지에서 위치 에너지를 뺀 값((L = T - V))으로 정의되는 라그랑지안이라는 스칼라량을 사용합니다. 운동 방정식은 일반화 좌표계를 이용하여 오일러-라그랑주 방정식 (frac{d}{dt} left( frac{partial L}{partial dot{q}_i} right) - frac{partial L}{partial q_i} = 0)으로부터 유도되며, 이를 통해 제약 조건이 있는 복잡한 시스템의 분석을 단순화할 수 있습니다.

갈바닉 부식은 전해질 용액 내에서 한 금속이 다른 금속과 전기적으로 접촉할 때, 한 금속이 다른 금속보다 우선적으로 부식되는 전기화학적 과정입니다. 이는 서로 다른 금속이 이종 금속 쌍을 형성하기 때문인데, 이때 덜 귀한(더 활성이 높은) 금속이 양극 역할을 하여 부식되고, 더 귀한 금속은 음극 역할을 합니다.