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철봉의 용접부 검토 | ||||
어제 저녁 퇴근 길에 추운날씨에도 불구하고 집앞 놀이터의 철봉에서 노익장을 과시하며 철봉운동을 하는 이웃집 어르신을 보면서 몇마디 담소를 나누다가 자기관리를 위해선 오랬동안의 습관이 참으로 중요하다는 생각을 새삼 해보았는데 문뜩 엔지니어로써의 습관적인 기질을 가지고 어르신이 운동하시는 동안 철봉에서 생기는 힘에 대해서 잠시 생각을 해보았다. 어르신이 운동하는 동안 철봉은 상하좌우로 탄력적인 요동질을 쳤고 양단 철재기둥에 단단히 용접되어 있는 철봉의 끝단부는 어떠한 일들이 벌어지고 있을까? 만약 철봉을 설치하는 사람이 대충 용접을 해서 요동질 치는 철봉의 힘을 이겨내지 못하고 용접부가 파열(rubture) 된다면 회전운동을 하던 사람은 대형사고로 이어질 것이 뻔하기에 내심 보면서도 마음이 불안 불안했다. 집에 들어오자마자 아내가 차려주는 저녁밥상을 잠시 물리고 연필을 꺼내들어 궁금증을 풀어보았다. (철봉의 용접부 검토) ------------------------------------------------------------------------------- fig1 은 어제 본 철봉의 모양으로 이를 쉽게 fig2로 그려봤다(freebody_diagran). 편의상 어르신의 양팔이 철봉에서 원운동할 때의 회전torque 를 묶어서 T 라 하였고 철봉 양단의 반력TORQUE는 첨자를 붙여 TA, TB 로 나누어 조건식 1과 2를 구상하였다. 이러한 조건식이 될 수 있었던 것은 중앙의 T 는 결국 양단의 철봉의 연결대로 모멘트를 분배할 것이고 fig 2 의 하단처럼 양단의 철봉은 각각 뒤틀리려는 비틀림각 A도,B도가 발생할 것이기 때문이다. 식 2는 뒤틀림 축의 강성(stiffness) 견지에서의 기초식을 차용하였다.. 두식을 연립하여 (식3) 식 4와 식 5를 유도하면 비로써 철봉양단의 비틀림모멘트를 얻어낼 수 있는데 이는 실용적인 방법이라고 보기엔 좀 부족해보인다. 철봉의 외경과 내경을 별도로 고려해야 하기 때문이다. 이를 위해 다시 강도견지(strength) 견지의 비틀림 기초식(식6)을 이용하여 최종적으로 식 7과 식 8을 유도하고 여기서 각각 구해진 최대 전단응력은 철봉 양단의 용접부위에 발생되는 최대전단응력의 산식(식9)에 일치시켜 용접각장 h 또는 철봉의 안전 외경 d2 를 구할 수 있을 것이다. 하지만 문제가 하나 더 생긴다. 철봉에 최초로 재하시켜야 할 비틀림토오크 T 는 어찌 할 것인가? 일반적으로 회전토오크는 가압력 x 회전반경으로 정해지는데 철봉운동을 하는 사람의 특징을 보면 아랫배의 반동력을 이용하여 회전력을 얻는데 남자의 도심은 배꼽아래에 있다고 하니 회전반경은 배꼽위에서 철봉을 잡고 있는 팔의 끝(철봉을 잡은 손)으로 보고 가압력은 아랫배의 반동으로 낼 수 있는 최고의 힘이 자기 몸무게의 절반가량 된다고 볼때 약 키 165에 체중 70kg 정도로 보이는 어르신의 가압력은 70/2=35 kgf 이고 회전반경은 165/2=82.5 cm 라고 추론할 수 있을 것이다. 그렇다면 초기의 재하 값 T=82.5 X 35 = 2887.5 kgf.cm 의 토오크를 만들어 낸다고 볼 수 있다. 하지만 이것도 정확한 값은 아닐 것이다. 회전체가 만들어 내는 원심력에 대한 부분은 배제되었기 때문이다. 그 부분은 이글을 읽고 있는 독자들이 기초적인 물리이론을 적용하여 따져보기 바라고 또 한가지 더 짚어볼 것은 양단의 반력조건을 적용해서 식을 만들어 본 후 다른 형태로 발생되는 응력이 있음을 발견하게 되면 이를 principal 이론을 적용하여 완성하기 바란다. (epilogue) -------------------------------------------------------------------------------------- 제자들이 나에게 자주 묻는다. "공학에 숙달하고 문제를 잘풀려면 어떻게 해야 합니까?" 라고., 매번 그렇지만 답변은 평소 그들에게 해왔던 말인데 그들은 늘 초초함에 익숙해있고 개념파악에 대한 의지의 부족으로 매번 되풀이 묻는 것이다. 방법이 달리 있는 것이 아니다. 평소 당면한 문제를 공학적으로 고찰하는 습관이 매우 중요하다. 이를 고찰하다보면 궁금증과 의구심이 만연되고 이를 풀기 위해 나름대로 책자를 뒤적거리던가 나름의 연구활동을 통해 하나씩 문제를 해결할 수 있게 되는 것이다. 그리고 이렇게 얻어진 기억과 경륜들은 하나씩 자신의 지식기반의 도구가 되어 차곡 차곡 머리에 남게 되고 더 어려운 문제에 당면했을 때 머리에 이미 정리된 지적툴(intelligential tool)들이 복합적으로 연동되어 문제의 해결결과에 대해 빛을 발휘할 수 있게 됨을 명심하자., 또 하나의 방법은 대학의 professor 나 학원의 lecturer 들을 보면 반복적인 강의를 통한 자기교육의 숙달에 있다고도 볼 수 있다. 하지만 이 방법은 제현들에게 내가 거듭 추천하지 않는다., 실무없는 이론은 날의 무딘 검과 같기 때문이다. 덧붙여 작금의 글이 산업계에서 교육에 힘쓰고 제자들을 양성하는 교육자들의 수훈을 퇴색시키는 의미가 아님을 독자들이 알기 바란다. 
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| Toal 65 |
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