자유면(Free Surface)이란, 외부에서 하중(응력)이 작용하지 않는 면을 의미한다.
자유면에서는 법선방향 응력과 전단응력이 모두 0이다.
\[ \sigma_n = 0, \quad \tau = 0 \]
| 상황 | 자유면 여부 |
|---|---|
| 내압용기의 내부 표면 (내부압력 작용) | ❌ (내압이 존재) |
| 내압용기의 외부 표면 (외압 없음) | ✅ (외압이 없으면 자유면) |
| 공기 중에 노출된 물 표면 | ✅ |
| 부재가 자유롭게 절단된 단면 | ✅ (외력이 작용하지 않음) |
| 단면에 지지력(반력) 존재 | ❌ |
자유면에서는 외력이 작용하지 않으므로, 절단 시 내부 응력만으로 평형이 유지되어야 한다.
예를 들어, 내압용기를 원주 방향으로 절단하면 절단면은 자유면이 되며, 외력이 없는 그 면에서는 내부 응력(예: 후프 응력)이 평형을 이룬다.