[📃칼럼] [서울대학교 학과 탐방] 6편 - 기계항공공학부

[에빱이(rh0817)]

그 전 시리즈

1편

컴퓨터공학부

https://gall.dcinside.com/m/physics2/7475

2편

물리천문학부(물리학전공)

https://gall.dcinside.com/mgallery/board/view/?id=physics2&no=9156&_rk=96k&page=1

3편

물리천문학부(천문학전공)

https://gall.dcinside.com/m/physics2/9185

4편

전기정보공학부

https://gall.dcinside.com/m/physics2/49383

5편

수리과학부

https://gall.dcinside.com/m/physics2/49709

0. 시작하기 전에

하 시발 쓰다가 날아가서 몇 번째 쓰는지 모르겠다 시발

예전에도 기계항공공학부는 기계공학전공, 우주항공공학전공으로 나뉘었는데, 올해부터 아예 기계공학부와 항공우주공학과로 쪼개졌다. 근데 제목을 기계항공으로 지은 것은 전공이 은근 겹쳐서 그렇다. 기계공학부의 소개이다.

Mechanical의 번역이 기계로 잘못 번역되어 있다는 이야기가 있는데, 여기 있다시피 "기계 장치의 활용"을 취급한다고 되어 있고, 결국 기계 장치가 어떤 역학적 상황에서 잘 돌아가는 지가 중요하기 때문에 난 기계공학으로 그대로 두어도 상관없다는 입장이다.

전기정보공학부가 서울대 내에서는 전기과로 불리듯, 기계공학부는 기계과로, 항공우주공학과는 항공과로 불린다.

1. 4대 역학

1-1) 고체역학 -> 역학과 설계

고체역학은 부재가 하중을 받을 때, 얼마나 변형되고 얼마나 안전한지를 확인하는 과목이다. 이렇게만 보면 기계공학과는 어울리지 않을 수 있긴한데, 톱니가 맞물리고, 비행기가 엄청난 항력과 추력을 받는 과정을 생각하면 하중에 대한 반응이 굉장히 중요하다는 것을 생각할 수 있다.

고체역학을 시작하면, 우리 물붕이들이 풀던 돌림힘 문제가 반겨주고 있을 것이다. 하중을 받으면서 정지해 있는 상황을 확인하는 것을 정역학이라 한다. 고체역학 시간에서는 정역학만 배운다. 하중이 얼마나 걸렸는지를 알려면, 부재의 작은 요소에 걸리는 하중, 즉 응력(Stress)을 구하면 된다. 응력은 대충 F/A 형태의 값이 된다. 그리고 초기에서 변형된 정도를 변형률(Strain)이라 하는데, 대부분의 응력-변형률 관계는 이렇다.

이를 배운 후에 하중의 양상에 따라 응력을 구하는 법을 배운다. 하중은 단면에 수직으로 작용하는 힘(축 하중), 단면에 수직한 방향의 돌림힘(비틀림), 단면과 나란한 돌림힘(보의 굽힘)의 상황에서 응력을 구하는 법을 구한다. 이렇게 응력을 구하는 방법을 배우는 것은 구조의 안정성을 보기 위함인데, 문제는 응력, 변형률은 벡터가 아니라서 막 더하고 빼기가 어렵다. 그래서 구한 응력을 가지런히 정리하는 방법으로 모어 원, 대각화를 배운다. 그리고 이렇게 구한 응력을 통해 von Mises 이론, Tresca 이론을 통해 구조의 안정성을 배우면 한 학기의 고체역학이 끝난다.

고체역학을 좀 더 배우고 싶은 학생들은 전공선택인 역학과 설계를 수강하면 된다. 이 과목이 좀 독특하다.

역학과 설계에서는 처음(중간 1차 범위)엔 텐서, 응력 등의 개념을 좀 다루고, 구조물에 저장된 탄성 에너지를 미분하여 변위를 구하는 방법 등을 배우고, 좌굴(Buckling)을 배운다, 좌굴은 일정 이상의 하중에서 기둥이 굽힐 수 있는 한도가 갑자기 사라져서, 엄청난 변형이 일어나는 현상이다.

일반적으로는 좌굴, 에너지법까지 다루고 1년을 마치는데, 우리의 서울대는 여기서 더 나간다.(중간 2차) 유한요소해석, 즉 FEM(Finite element method)을 배운다. 다만 복잡한 상황은 다루지 않긴 한다. FEM은 부재를 작은 요소들로 쪼개서, 각 요소들의 탄성력 평형을 모두 구해서 거대한 행렬을 만드는 방식이다.

위에는 Matlab을 이용해 만든 행렬 일부(396*396)이고, 아래는 Hyperworks를 이용한 간단한 응력 계산 결과이다.

이렇게 FEM의 기초를 배우면 조금 복잡한 물질에서의 탄성 양상, 그리고 시간에 따라 변하는 하중이 어떻게 부재에 위험을 주는지(피로 하중, 피로 파괴)를 배우고 역학과 설계가 기말과 함께 끝난다. 그리고 개인 프로젝트를 하는 것으로 완전히 끝난다. 위에게 프로젝트 내용이었다.

1-2) 열역학 ->응용열역학

열역학은 온도, 에너지 등에 대한 과목이다. 참고로 공대에는 열역학 타이틀이 ㅈㄴ게 많은데, 기계과에서의 열역학은 포착하는 공간에서의 열, 일, 엔트로피 등의 유동을 다룬다. 과목의 시작은 질량과 비례하는 크기를 가지는 성질인 "크기 성질"과, 질량과 비례하지 않는 "세기 성질"의 개념을 배우면서 시작한다. 세기 성질은 압력, 온도, 밀도, 비체적(단위 부피당 질량, 밀도와 역수 관계) 등이 있다. 그리고 순물질의 열역학적 성질(포화 상태, 3중점 등)을 배우고, 이상 기체 방정식 등도 다룬다.

그리고 내부 에너지, 엔탈피를 통해 열역학 제 1법칙을 적용하는 방법을 배운 후 포착하고 싶은 공간을 검사체적이라는 개념으로 배우고, 이 검사체적 내에서 열역학 제1법칙을 적용하는 방법을 다룬다. (이 과정에서 베르누이 방정식이 등장한다!)

그 다음은 열효율, 카르노 기관 등과 엮어 열역학 제2법칙을 배우고, 검사체적에서 엔트로피의 변화를 계산하는 방법을 구한다. 그 후 Rankine 과정 등과 같은 열기관을 배우면 학기가 끝난다. 사실 내가 열역학은 좀 던져서 얘기할 게 부족하다.

좀 더 배우고 싶다면 응용열역학을 수강하면 된다. 여기서는 화학 반응 상황에서의 제1법칙, 제2법칙을 배우고, 열기관의 한 사이클에서 얻을 수 있는 일인 엑서지(Exergy)의 개념, 연료전지의 개념을 배운 후, 마지막은 통계열역학에 대해 배우고, 매트랩으로 프로젝트를 하면 응용열역학이 끝난다.

1-3) 동역학 -> ?

힘을 가해도 변형이 없는 물체인 강체가 운동할 때에 작용하는 힘, 저장된 역학적 에너지 등을 다루는 학문이다. 똑똑한 수학자들께서 3차원 상에서 강체의 운동은 강체의 점이 모두 같은 방향으로 움직이는 병진 운동, 한 축을 중심으로 회전하는 회전 운동의 합성으로 표현할 수 있음을 증명했다. 이를 배운다.

사실 초반 내용은 일반물리학과 크게 다르지 않다. 위치 미분하면 속도, 속도 미분하면 가속도인거 알려주고(극좌표인 경우는 좀 귀찮다. 시간에 따른 좌표계의 변형을 고려해야 하므로), 자유물체도를 그려서 힘을 분석하고, 운동량 보존(충격의 위치를 고려해야 한다.), 역학저 에너지 보존을 쓰는 등 일반물리학을 어느 정도 공부했다면 간단한 내용에, 우주역학에서 각운동량, u=1/r 치환을 통한 테크닉을 알려주고 케플러 법칙을 이용하는 문제가 조금 나온다.

그러다가 강체를 도입한 후는 병진과 회전의 복합에서, 어떻게 속도, 각속도, 가속도, 각가속도를 분석할 것인지를 먼저 공부하고, 이를 통해 물체의 질량(+회전 관성)과 힘, 돌림힘의 관계를 계산하는 것을 목표로 두고 계속 공부를 하게 된다. 이 과정에서 코리올리 가속도라는 요상한 항이 또 추가가 되는 등, 이젠 힘과 상관 없이 운동을 분석하는 것도 버거워진다. 이를 견뎌내고 충돌 분석, 에너지 분석을 추가로 배우고, 마지막으로 자이로스코프의 운동을 배우는 것으로 학기가 끝난다. 사실 짤과 같이 진동을 배우는 경우는 드물다.

동역학은 이후에 심화되는 내용은 제어, 로봇공학입문 과목이긴 한데, 이를 심화 동역학으로 설명하기는 애매하다.

1-4) 유체역학/항공역학 ->응용유체역학, 압축성유체역학

아까 설명했던 응력에서, 작은 요소의 표면에 나란하게 작용하는 하중을 전단하중(shear stress)라 한다(쓸림이라 생각하면 되겠다.). 전단응력이 작용할 때 고체는 중심축이 조금 틀어지면서 힘의 평형을 이룰 수 있지만, 유체는 정지하지 못하고 운동하게 된다. 유체역학에서는 이러한 성질을 가진 물질을 공부한다.

먼저 앞서 설명했던 개념과 더불어 표면장력, 적심 등의 개념을 잠시 훑고, 점성을 배운다, 점성은 전단 하중이 작용할 때 얼마나 속력이 덜 변화하는 지를 나타낸다.

그리고 유체가 정지해 있거나, 쓸림이 없어 점성에 의한 힘을 고려하지 않는 상황을 배운다. 압력에 의한 힘, 부력, 부력의 안정성, 가속 좌표계에서 압력 분포 등을 배운다. 그 다음 단원부터는 유체를 분석하는데, 거대한 뭉탱이로 보는 관점(적분관계식), 유체가 지나는 점에서의 속도 등을 체크하는 관점(미분관계식)을 차례대로 배운다.

적분 관계식은 아까 열역학에서 말했던 검사체적에서 물질, 운동량, 에너지의 출입을 관찰하여 보존 식을 세우는 방법이다. 이를 위해 레이놀즈 수송정리라는 것을 배운다. 이 과정에서, 점성이 거의 없고, 비압축성이며, 외부 에너지원이 없으며, 회전의 경향이 없는 경우 베르누이 방정식을 쓸 수 있음을 배운다.

미분 관계식은 물질의 유입/유출, 운동량의 유입/유출을 미분방정식으로 다루는 방법이다.(에너지의 유입/유출은 열전달에서 배운다.) 이 중에서 운동량의 유입/유출을 나타내는 방정식이 그 나비에-스토크스 방정식이다. 2학년 응애들은 이렇게 배운다.

문제는 굵은 글씨가 다 벡터라서, 성분 분리하면 식이 더럽다... 그래도 파이프 내 유동과 같은 쉬운 상황에서는 해가 쉽게 나온다.

미분 관계식 단원에서는 추가로 유체 입자들의 2차원 속도 분포를 분석하는 방법을 잠깐 훑어준다. (나중에 복소수가 나온다.)

그런데 유체의 운동은 형상이 조금이라도 복잡해지면 계산하기 매우 어려워지고, 따라서 실험적인 방법을 통해 구해야 하는 경우가 있다. 결국 모형 제작을 통해 분석을 하게 되는데, 이 과정은 여러 물리량을 무차원의 수로 만들어서 분석한다. 물붕이들이 어디서 본 레이놀즈 수같은 것이 이런 예시다. 무차원 수를 통한 함수를 만들고, 이를 통해 여러 스케일에서의 운동을 유추하는 과정, 즉 운동학적 상사를 배운다.

운동학적 상사를 배운 후, 파이프 내의 유동을 Moody 표를 이용해서 좀 더 현실에 맞게 배운다. 그 후는, 유체 내에서 운동하는 물체가 있을 때 유체의 속도 분포에 대한 개론으로 유체역학 시간이 끝난다.

항공역학의 경우는 유체역학과 조금 다른 것을 배운다. 공기는 점성이 거의 없고, 열전도율이 낮아 위에서의 내용과는 사뭇 다른 내용을 배운다. 파이프 내의 유동같은 것은 그리 관심사가 아니고, 유체 내에서 운동하는 물체가 있을 떄의 속도 분포를 더욱 중요하게 본다.

여기서 더 배우고 싶다면, 응용유체역학, 압축성유체역학을 수강하면 된다.

두 과목 모두 유체 내에서 운동하는 물체가 있을 때, 속도 분포, 항력 등을 조금 자세히 다루고, 비압축성, 비점성을 가정했을 때의 특이한 속도 분포인 "퍼텐셜 유동"에 대해 배운 후(복소수가 쓰이는 이상한 현상), 그리고 유체가 압축성일 때, 열역학과 엮어 충격파 등을 배우는 과목이다. 응용유체역학은 학점이 짜다는 소문이 있다.

2. 그 외 전공필수

여기부터는 좀 단순히 다루겠다.

창의공학설계 - 보통 창공이라 한다. 기계과에 처음 들어온 아해들에게 설계는 어렵고, 고인물은 많다는 것을 보여주는 시간이다.

기계시스템 모델링 및 제어 - 보통 기모제라 한다. 처음에는 여러 역학적 현상을 모델링하고, 그 다음은 라플라스 변환을 이용해서 안정성 체크, 진동에 대한 반응 체크 등을 다룬다. 이경수 교수님, 이동준 교수님이 보통 강의를 하시는데, 두 분 다 강의력이 바닥이다.

메카트로닉스 - 기계에서 쓸 전자회로를 빠르게 훑고, 아두이노 실습을 하는 시간이다.

기계제품설계 - 고체역학에서 배운 내용을 조금 훑고, 각종 기계 부품의 작동 원리를 배운다. 근데 팀끼리 기계 사서 분해하고 원리 확인하는 프로젝트가 있다.

재료와 제조공정 - 여러 물질들을 어떻게 모양을 만들고, 뽑아내는 등의 제조 공정에 대해 배운다. 프로젝트가 있다.

기계공학실험 - 4대 역학의 내용을 실제로 실험한다. 보고서를 계속 써야 해서, 에타 구경하면 기공실 하기 싫다는 글을 어렵지 않게 볼 수 있다.

열전달- 전도, 복사, 대류를 정량적으로 다룬다. 참고로 나비에-스토크스 방정식의 어려움은 대류 항에서 온다.

3. 전공선택

로봇공학입문 - 기계과의 레전드인 Frank Park꼐서 개설하시는 수업. 각종 기구들의 속도, 힘 등을 어떻게 계산할 것인지를 다루고, 추가적으로 인식, 제어를 다룬다.

공학수학 3 - 수치해석 강좌이다. 교양과목인 공학수학과는 차이가 있다. 족보 잘 보고가면 학점 받기 쉽다는 인식이 있다.

시스템제어이론 - 기모제에서 다룬 제어를 복습하는 시간이다. 복습이다.

컴퓨터시뮬레이션과 설계 - FEM을 더욱 다양한 상황에 적용하는 과목이다.

고체강도거동학 - 고체역학이후, 재료들이 어떤 특징을 보이는 지를 배우는 과목이다.

내연기관 -

4. 참고하면 좋은 사이트

https://ocw.snu.ac.kr/ 예전의 공대 강의 야뎊을 찾을 수 있다.

https://me.snu.ac.kr/

https://aerospace.snu.ac.kr/ 위가 기계과, 아래가 항공과이다.

그 외 질문 받는다.

[트루탄(xesyj2)]

무슨얘기인지 잘 모르겠지만 개추

[샛별이반짝이는새벽에(unistphysics2)]

[에빱이(rh0817)]

나도 뭔지는 몰?루

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[에빱이(rh0817)]

몰?루

[에빱이(rh0817)]

미래의 화생공에게 맡기겠습니다

[광삼(kimgeuk)]

와 유체눈나... - dc App

[익명(175.112)]

짤들 ㅋㅋㅋ

[너희들은7HAH77I(als781615)]

개추 정확함

[성적표보여줘(2giyoung)]

[성적표보여줘(2giyoung)]

시리즈를 이어주다니 정말 감사합니다

[닝이자식(jhch3598)]

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[에빱이(rh0817)]

쏘리 글재주가 부족하다

[익명(114.205)]

화학과 해 주시면 감 사

[익명(222.117)]

담번에 통계학과 해주세요!

[익명(114.201)]

와 이렇게 씹덕처럼 표현하다니 역시 K씹덕의 미래는 밝아...

[익명(182.222)]

짤녀사랑해

[코딩저능아(philwfoden47)]

[익명(110.34)]

통계 "해줘"