비틀림(Torsion)의 원리와 축(shaft)에 생기는 응력

기계가 회전할 때, 그 중심축에는 눈에 보이지 않는 힘이 끊임없이 걸립니다. 엔진이 구동축을 돌리고, 드릴이 나사를 박으며, 심지어 물병 뚜껑을 열 때 손목에도 회전력이 작용하죠. 이때 축 내부에서는 단순히 돌기만 하는 것이 아니라, 안쪽 섬유는 꼬이고, 바깥쪽은 늘어나는 복잡한 응력 상태가 만들어집니다. 이 현상을 우리는 비틀림(Torsion)이라고 부릅니다. 비틀림은 기계의 내구성과 안정성을 결정짓는 중요한 개념으로, “얼마나 단단히 버티는가”보다 “얼마나 균일하게 힘을 분산하는가”가 핵심입니다.

 

 

 

비틀림이란 무엇인가?

 

비틀림(Torsion)은 막대나 축이 축 중심을 기준으로 회전력을 받을 때 발생하는 변형 현상입니다. 즉, 한쪽 끝은 고정되어 있고, 다른 쪽에서 회전력이 작용하면 전체가 나선형으로 꼬이는 형태가 됩니다. 이때 재료 내부에는 전단응력(Shear Stress)이 생기며, 이 응력이 일정 한계를 넘으면 축이 비틀리거나 부러지게 됩니다.

쉽게 말해, 비틀림은

“회전하려는 힘과, 버티려는 힘의 줄다리기”
입니다.

 

 

 

비틀림이 작용할 때 내부에서는 무슨 일이 일어날까?

축을 단면으로 잘라서 보면, 중심부(축심)는 거의 움직이지 않지만 바깥쪽으로 갈수록 꼬임이 커집니다.

즉,

• 중심부는 거의 변형이 없고,
• 외곽 부분일수록 더 크게 늘어나거나 줄어듭니다.

이 말은 곧, 응력이 단면의 바깥쪽에 집중된다는 뜻입니다. 그래서 비틀림에 강한 축을 설계할 때는 바깥쪽에 재료를 많이 배치하는 것이 매우 중요합니다. 바로 이 원리 때문에 속이 꽉 찬 원형축보다 속이 빈 원관(파이프형 축)무게 대비 훨씬 더 효율적입니다.

 

 

 

비틀림의 대표적인 예시

1. 자동차의 구동축(Drive Shaft)
   엔진의 회전력을 바퀴로 전달할 때 축 전체가 꼬이는 현상이 발생합니다. 구동축은 반복적인 비틀림을 견디기 위해 고탄성강과 파이프 구조로 제작됩니다.
2. 드릴 비트와 나사산
   드릴이 재료를 뚫을 때, 날의 끝은 재료와 마찰하며 큰 비틀림을 받습니다. 그래서 드릴 비트는 가운데가 아닌 단면의 외곽부 강성이 중요합니다.
3. 스프링 샤프트
   회전하면서도 일정한 탄성을 가져야 하는 축은 일부러 비틀림 변형을 허용해 충격을 완화합니다. 즉, 완전히 강하게 만드는 게 아니라 ‘적당히 비틀릴 수 있게’ 만드는 설계입니다.

 

 

비틀림과 전단응력의 관계

비틀림이 작용할 때 생기는 주된 응력은 전단응력(Shear Stress)입니다. 이 응력은 단면에서 중심으로부터의 거리(반지름)에 비례하여 커집니다. 즉, 중심부보다 외곽이 훨씬 더 큰 응력을 받습니다. 그래서 비틀림에 강한 축을 만들려면 단면의 형태를 ‘응력을 분산시키는 구조’로 설계해야 합니다. 이때 중요한 지표가 바로 단면 2차 극모멘트(Polar Moment of Inertia)인데, 이는 단면 2차 모멘트와 비슷하지만, 회전 변형에 대한 저항성을 나타냅니다. 값이 클수록 비틀림에 강한 구조입니다.

 

 

 

비틀림에 의한 파손의 형태

비틀림으로 인한 파손은 재료의 성질에 따라 다르게 나타납니다.

• 연성 재료 (예: 강철)
  비틀리면 나선형으로 변형이 일어나고, 결국 인장력에 의해 부러집니다. 파단면은 45도 각도로 비스듬히 나타납니다.
• 취성 재료 (예: 주철, 유리)
  거의 변형 없이 순간적으로 파손됩니다. 파단면이 매끄럽고, 나선 형태 대신 수직에 가깝습니다.

이 차이는 재료의 에너지 흡수 능력과 밀접한 관련이 있습니다.

 

 

 

비틀림에 강한 구조를 만드는 법

1. 단면을 원형 또는 관형으로 설계
   원형은 응력이 고르게 분포하므로 비틀림에 가장 유리합니다. 사각형이나 복잡한 단면은 모서리에 응력이 집중됩니다.
2. 속이 빈 파이프형 축 사용
   무게는 줄이면서 외곽에 재료를 배치해 효율적으로 비틀림에 저항할 수 있습니다.
3. 재료의 연성과 탄성 고려
   순간적인 회전 충격을 흡수할 수 있도록 적당한 탄성계수를 가진 재료를 선택합니다.
4. 비틀림 하중이 집중되지 않도록 연결부 설계
   샤프트의 연결부(키홈, 나사, 용접부)는 응력 집중이 가장 큰 곳입니다. 이 부위는 둥근 모서리로 마감하고, 보강 설계를 해야 합니다.

 

비틀림의 본질 — “균형 잡힌 회전이 강도를 만든다”

비틀림의 핵심은 단순히 ‘버티는 힘’이 아니라, “회전 속에서도 내부 응력이 균형을 이루는 구조”를 만드는 것입니다. 즉, 강성(단단함)보다 중요한 것은 응력이 한쪽으로 몰리지 않게 고르게 분포시키는 설계 감각입니다. 이 개념은 자동차 축, 로봇 관절, 풍력 터빈, 회전 기계 등 ‘회전’이 중심이 되는 모든 산업 구조물의 기본 원리입니다.

 

 

결론

비틀림은 구조물의 내부에서 끊임없이 일어나는 회전형 응력의 싸움입니다. 재료는 단단할수록 강하지만, 동시에 균형이 잡히지 않으면 쉽게 부러집니다. 그래서 진짜 강한 축은 ‘두꺼운 축’이 아니라, 응력이 고르게 퍼지도록 설계된 축입니다. 재료역학의 관점에서 비틀림은 우리에게 이렇게 말합니다.

“강도는 힘의 크기가 아니라, 힘의 분배에서 온다.”