탄성체

외부에서 가해진 힘에 의해서 형태가 변형된 상태에서 힘이 제거되었을 때 원래 모양으로 되돌아가려는 성질을 탄성이라고 하고, 그러한 성질을 갖는 물체를 탄성체라고 한다.

용수철이나 고무줄 등이 탄성체의 대표적인 예이다 (그림 1, 2). 반대로 외부 힘이 제거되었는데도 원래 모양으로 되돌아가지 아니하고 변형된 상태에 머무르는 물체를 소성체(plastic body)라고 한다. 찰흙 덩어리나 밀가루 반죽 등이 대표적인 예이다. 현실 세계에서 완벽하게 탄성만을 가지는 물체는 없다. 탄성체라도 작용하는 변형력이 어느 한계 이상 커지면 다시 평형상태로 복원되지 않는다. 따라서 대개 일정 범위의 외부 힘에 대해서만 탄성 변형을 보인다.

그림 1. 고무밴드 ()

그림 2. 스프링 ()

고무는 탄성체의 대표적인 예이며, 고무 탄성을 가지는 재료를 탄성중합체(elastomer)라고 한다. 탄성중합체는 크게 세 가지로 분류된다. 첫 번째는 천연 고무로, 고무나무 수액인 라텍스(latex)를 정제하여 생고무를 만들고, 여기에 황을 가하여 탄성을 높인 가황 고무를 만든다. 여기에 탄소 분말을 첨가하면 그 정도에 따라 강도를 높여 경질 고무를 만들 수 있다. 두 번째는 열경화성 탄성중합체로, 일정 범위 안에서는 열을 가해도 물러지지 않아 비교적 내열성이 높다. 초기 합성 고무의 대부분이 이에 속하며, 일부 우레탄 고무, 실리콘 고무, 불소 고무 등이 그 예이다. 세 번째는 열가소성 탄성중합체로, 상온에서는 가황 고무의 특성을 나타내지만, 온도가 높아지면 소성이 생겨 소성 변형이 가능하다. 즉, 온도를 높여 가공하고 식히면 가공된 형태를 유지하면서 탄성을 나타낸다.

고무 이외에 대표적인 탄성체는 용수철이다. 이 용수철을 이용하여 영국 물리학자인 훅(R. Hooke, 1635-1703)은 탄성체에 작용하는 변형력과 변형되는 정도의 관계에 대한 법칙을 발견했는데 이를 훅의 법칙이라고 한다. 이 법칙에 따르면 변형력이 탄성한계보다 작은 경우 변형력과 변형되는 정도는 서로 비례관계가 있다. 이때 비례상수를 탄성률이라 한다. 변형력이 탄성한계보다 작은 경우 탄성률이 클수록 같은 크기의 변형력에 대해 변형되는 정도가 작다. 금속 막대도 탄성체라고 할 수 있는데, 용수철이나 고무줄보다 탄성률이 커서 변형되는 정도가 덜 두드러진다.

공학에서는 재료의 탄성을 대개 두 가지 매개변수로 나타낸다. 첫 번째는 가해지는 압력에 대해 변형이 얼마나 일어나는가의 비율을 나타내는 영률(Young’s modulus)이다. 영률 값이 클수록 그 재료는 변형시키기 어렵다. 두 번째 매개변수는 탄성한계로, 탄성변형의 한계를 벗어나 영구적인 변형이 일어나기 직전까지 재료 내부에 쌓인 변형력(stress)의 크기다. 탄성한계도 압력과 같은 단위를 갖는 물리 값이다. 예를 들자면 금속과 비교할 때 고무는 낮은 영률을 가져서 쉽게 변형되고, 높은 탄성한계를 가져 많이 변형된다.

탄성은 고체의 성질을 나타내는데 유체의 경우 흐름을 방해하는 내부저항을 일으키는 성질을 점성이라고 한다. 이렇게 고체의 성질인 탄성과 액체의 성질인 점성을 동시에 갖는 물체도 존재하는데, 이를 점탄성체라고 부른다. 점탄성을 볼 수 있는 대표적인 재료는 실리콘 고분자이다. 실리콘 고분자 물질을 공(ball) 모양으로 만들어 바닥에 떨어뜨리면 탄성을 가지고 되튀어 오르지만, 시간을 충분히 갖고 변형력을 천천히 증가시켜서 늘이면 이 재료는 점성이 유체처럼 늘어진다. 이렇게 점탄성 재료는 변형이 가해지는 속력에 따라 탄성이나 점성을 선택적으로 드러낸다. 점탄성 고분자 물질은 최근 들어 고부가가치를 갖는 플라스틱 제품의 원료로서 관심을 끌고 있다.