자유물체도 (free body diagram, FBD)

'자유물체도(free body force)는 물체의 힘과 모멘트(회전력)를 시각적으로 표현하고 분석하기 위해 사용되는 도식입니다. 

자유물체도는 물체가 다른 물체나 힘에 어떻게 반응하는지를 이해하고, 시스템을 분석하는 데 도움을 줍니다. 

주로 정적 또는 동적 평형을 분석하거나 구조물의 응력, 변형, 모멘트 등을 계산할 때 사용됩니다. 

자유물체도를 그리는 과정은 다음과 같습니다. 

1. 물체 선택

분석하고자 하는 물체를 선택합니다. 이 물체를 자유롭게 움직이는 것으로 가정하며, 

외부 힘이나 모멘트에 어떻게 반응하는지를 알아보려고 합니다.

2. 힘 및 모멘트 표기

선택한 물체 위에 적용된 모든 힘과 모멘트를 화살표로 나타냅니다. 

각 힘과 모멘트는 크기와 방향을 가지며, 화살표의 길이는 힘의 크기를 나타냅니다. 

힘은 일반적으로 중력, 압력, 힘의 작용점 등을 나타내며, 모멘트는 회전력을 나타냅니다. 

3. 힘 및 모멘트 성분 분해

힘이나 모멘트가 벡터이기 때문에 이들은 각각 성분으로 분해될 수 있습니다. 

주로 x,y,z 축 방향의 성분을 나타내어 계산을 쉽게 하며, 각 축방향으로의 힘과 모멘트 성분을 표기합니다.

4. 등가 힘

때로는 물체와 상호작용하는 힘이 미치는 영향을 좀 더 명확하게 이해하기 위해 "등가 힘"을 추가로 그릴 수 있습니다. 

이는 예를 들어 지면과의 접촉 힘을 분해하여 수직방향의 등가 힘과 수평방향의 등가 힘을 나타내어 계산에 이용하는 것을 말합니다. 

자유물체도를 그림으로 표현함으로써 시스템의 힘과 모멘트의 균형을 이해하고, 복잡한 구조나 문제를 단순화하여 해결하는 데 도움이 됩니다. 

이는 공학 분야에서 구조, 기계, 시스템 등 다양한 문제에 적용되며, 정확하고 체계적인 분석을 위한 중요한 단계 중 하나입니다.