유체역학의 정의

공학을 전공하는 학생들에게는 많이 익숙하지만, 일반 문과생들에게는 너무나도 생소하고, 어려운 유체역학, 그 자세하게 쉽게 유체역학에 대해서 알아봅니다. 
유체는 가변형 (쉽게 변형이 될 수 있는) 물체의 상태를 말합니다. 기체나 액체의 상태를 유체라고 표현합니다. 

 

유체역학의 정의

 

1. 유체역학은 대체 무엇인가?

- 이름만 들어도 머리 아파 보이는 유체역학, 영어로 Fluid Dynamics라고 합니다. 기체나 액체 같은 변형이 쉬운 물체의 상태인 유체의 움직이는 현상을 다루는 학문이며, 우리 삶의 다양한 분야에서 응용되는 과학이기도 합니다. 

- 유체는 특정한 형체를 갖고 있지 않습니다. 태풍, 회오리, 물의 흐름등은 우리의 삶에서 자주 접하지만 일정한 형체를
  갖고 있지 않기 때문에 눈으로 쉽게 보고 관찰할 수 도 없습니다. 
 이러한 유체들의 흐름을 와류라고 하는데, 데카르트는 우주의 근원을 와류현상을 설명했었습니다. 
 
- 유체역학의 내용중, 정지 상태의 유체역학을 유체 정역학이라고 합니다. (hydrostastics) 정지되어 움직임이 없기에
  부력과 정수력만은 사용합니다. 과학책에서 읽어보았던 아르키메데스의 "유레카"라는 내용을 아시는 분들이 많습니다. 
  금으로 된 관에 은이 섞여 있는 것을 판별하기 위해서 목욕탕의 수조의 물이 넘치는 것을 보고 물질의 비중이라는 것의 원리를 깨달았고 그 상태에서 유레카라고 외친 것입니다. 

 

 

 

유체역학의 정의

 

2. 유체역학, 정역학, 동역학

- 유체정역학은 아르키메데스가 발견한 원리를 기반으로, 물체가 받는 부력은 그 물체가 밀어낸 물의 무게와 같다는 것입니다. 
즉, 물안과 물밖에서 측정한 금관의 무게에서 밀도(=질량/부피)을 계산할 수 있었고, 금관에 은이 섞인 것을 가려낼 수 
있었던 것입니다. (실제로 지금은 이러한 기초물리학의 이론이 많이 정립되어 쉽게 이해할 수 있지만, 그 당시에는 
목욕탕에서 저런 원리를 발견하기까지는 수만번의 고민과 연구를 거듭했을 것입니다. 역시 천재는 타고남)

- 유체동역학은 정역학과 완전히 반대되는 개념으로, 유체의 움직임에 대해서 다루게 됩니다. 
  유체역학의 대부분은 동역학의 내용이며, 유체의 흐름에 대한 깊은 학문이기에 당연히 유체역학=동역학이라는 공식이
  생겨납니다. 
  점성, 압력, 중력 등이 유체에 작용할 수 있는 힘 등을 전부 합하면 가속도를 산출할 수 있지만, 유체는 어떤 특정한 
  형태를 갖추고 있지 않아서 쉽게 측정이 불가능합니다. (사람, 자동차, 물건처럼 특정한 형태가 있으면 가속도 쉽게 구함)

 

 

유체역학의 정의

 

 

3. 유체역학-라그랑주, 베르누이 원리

- 유체역학에서 많이 사용되는 라그랑주 관찰법이 있습니다. 
  자동차, 선박과 같이 명확한 물체가 있을 때, 그 물체를 추적하면서 위치, 속도의 변화를 관찰하는 것입니다. 
  하지만, 유체는 특정한 형태가 없기에 위치, 속도의 변화에 따라 유체의 형태가 혼합, 분산되기에 명확하게 대상을 관찰
  할 수가 없습니다. 
  풍속을 측정한다고 가정하면, 바람의 정확한 형태도 없고 눈에 보이지도 않아 라그랑주 관찰법으로는 관찰이 불가능합
 니다. 그래서 풍속계라는 것을 한 지점에 고정하고 그곳을 통과하는 특정하지 않은 공기를 재는 것입니다. 
 (오일러 관찰법)

- 베르누이 원리는 유체역학에서 가장 넓게 알려진 것입니다. 
  점성(끈 점거림)이 없는 유체는 동압과 정압의 합이 일정합니다. 일종의 에너지 보존법칙과 비슷합니다. 유체의 운동에너지가 압력의 모습으로 나타나는 것이 동압(움직이는 압력)이고, 유체의 자체가 압력이 정압입니다. 

- 베르누이 원리는 간단히 말해서, 
  속도가 느려지는 곳에서는 정압이 높아지고, 동압은 낮아집니다. 반대로 속도가 빨라지는 곳에서는 정압은 낮아지고,
 동압이 높아집니다. 
  예를 들면, 분무기의 물이 스프레이로 뿌려질 때 베르누이 원리의 의해서 물이 스프레이로 뿌려질 수 있는 것입니다. 
  베르누이의 원리 중에 가장 이해하기 쉬운 것이 야구공과 테니스공의 회전에 따라서 커브공이 발생하게 됩니다. 
  야구공은 특히 실밥을 어떻게 잡느냐에 따라서 변화구가 다양하게 변화를 하는데 이 역시 베르누이의 원리 중 하나입니다. 
 비행기가 비행할 때 날개에 양력(띄우는 힘)이 발생하는 것들 역시 베르누이원리에 해당합니다. 
  

 

유체역학의 정의

 

마무리

- 유체역학, 유체동역학, 유체정역학, 베르누이원리에 대한 포스팅을 마치겠습니다.