(1) 전단응력..
재료에 힘을 가했을 때 재료내부에 작용하는 힘은 인장, 압축, 전단의 형태로 나타납니다. 풍선에 바람을 넣어주면 풍선내부의 힘은 압력으로 나타낼 수 있지만 풍선을 구성하는 고무에 작용하는 힘은 구의 표면 접선 방향의 인장력으로 작용됩니다. 인장이나 압축은 작용되는 힘과 직각방향으로 놓여있는 재료의 단면에서 당기는 혹은 압축하는 힘으로 작용하기 때문에 머릿속으로 연상하기 쉽지만 전단력은 약간 양상이 다릅니다.
전단력을 이해하려면 두부를 칼로자르는 것을 연상하면 되지만 그래도 이해되지 않을 경우에는 두부를 도마끝에 걸쳐두고 다른 도마를 이용하여 두부를 절단하는 것을 연상하면 됩니다. 가한 힘을 두부가 잘라진 면의 면적으로 나눈 값의 전단력보다 큰 힘으로 가하면 두부는 "전단"됩니다. (인장이나 압축의 경우 작용하는 힘과 면에 작용하는 힘이 응력으로 나타나지만) 전단의 경우에는 가해지는 힘과 평행인 면에 응력이 생깁니다.
(2) 질문에서..
Shear Rate(전단률, 1)는 Shear Stress가 전달되는 방향의 미분길이증가에 대한 속도의 증가율, 즉 dV/dy를 의미하고, 전단응력(2)은 전단력을 받고있는 면의 단위면적당 전단력, 즉 τ =T/A(=전체 전단력을 전단력 작용전체 면적으로 나눈값)을 의미하며, 전단력(3)은 Shear Stress가 작용되는 면적에 가해지는 전체의 힘으로 전단응력에 작용면적을 곱한 값, 즉 T= τ*A 가 됩니다. (3)의 경우 Shear와 무관해 보이지만 유체에서 유체의 흐름에 따라 생기는 응력이 전단력으로 나타나고 그 전단력은 속도의 차이가 있는 경우에 나타나기 때문에 이 용어를 사용해오고 있습니다. 차라리 Velocity Gradient라고 이해하는 것이 더 이해하기 쉬울것 같습니다.
(3) 이해하기 쉽도록...
꿀을 담은 그릇 위에 나뭇잎이 올려져 있다는 것을 연상합니다. 꿀의 액 두께(x)는 25mm이고 꿀위에 얹혀있는 나뭇잎(면적A)을 수평으로 끌어당기는 힘이 T라고 하면 용기 바닥에서는 속도가 0이고 표면의 속도는 Vo가 되는데 이때
Total 전단력(3) = T .......전단력[=]힘의 단위, 잎을 끌어당기는 전체의 힘
Shear Stress(2) = T/A = τ .......응력[=]응력(압력)의 단위, 전체의 힘을 나뭇잎 면적으로 나눈 값
(평균) Shear Rate (1) = ΔV/Δy = dV/dy ...길이방향 속도변화율(=기울기 =속도차이/전달두께)[=]속도/길이의 단위
이들의 용어는 재료역학, 유체역학 관련 서적에서 자세히 찾아볼 수 있습니다. 특히 Shear Rate는 유체에서 작용하는 힘에 의해 생성된 응력(여기서는 전단력)이 힘과 직각인 방향으로 전달되는 특성이 있기 때문에 정의한 것이고, 아래의 수식은 뉴턴의 점도법칙을 정의한 것입니다. 비례상수는 바로 그 유체의 점도입니다. (dV/dy처럼 길이방향변수를 y로 나타낸 것은 속도방향을 x라고 했을때 작용되는 응력의 전달방향이 x와 수직인 방향이기 때문에 그리나타낸 것입니다.)
