유체역학의 기초

가. 물질과 상

 

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위 그림은 남극의 유빙을 보여주고 있다.

그림에서 얼음은 고체, 바닷물은 액체, 그리고 수증기는 기체라고 할 수 있다.

이중에서 기체와 액체를 유체라고 하며 유체역학은 이들 기체와 액체에 대하여 다룬다.

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위 그림에서는 상(Phase)을 보여주고 있다.

고체 · 액체 · 기체 즉 각 상에 따라 각기 다른 분자 결합상태를 보여 주고 있다.

노란색 원이 산소이고 녹색원이 수소를 나타낸다. 이들 원자들이 결합하여 물 분자인 H2O

의 분자구조를 이룬다. 똑같은 H2O 분자구조이지만 얼음은 아주 조밀하게 결합되어 있고

기체의 경우에는 분자간에 아주 느슨하게 결합되어 분자가 이동하다가 충돌하는 정도의

결합상태를 보여준다.

위 그림의 위쪽 부분은 원자를 좀 더 상세하게 나타낸 것이다.

원자는 그 중심에 원자핵과 중성자로 구성되어 있고 그 주위를 전자가 돌고 있는 형태를

취한다. 지구상에 있는 모든 물질은 이와같은 원자로 구성되어 있다.

 

 

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물이라는 물질을 가지고 고체 · 액체 · 기체의 특성 즉 각각의 상의 특성에 대해 알아보자.

얼음의 경우 고체상태로 형태가 고정적인 반면 액체와 기체는 용기에 따라 변형되는데

액체의 경우는 이동성이 낮아 열린용기에 담을 수 있으나 기체는 이동성이 매우 높아 닫힌

용기에만 담을 수 있다.

분자간의 이동성도 고체는 이동성이 낮고 액체는 높은 이동성이 있고 기체는 이동성이 아

주 자유롭다.

단위 면적당 작용하는 힘을 응력이라고 한다.

전단응력은 단위 면적당 작용하는 전단력을 말하고

수직응력은 단위 면적당 작용하는 수직력을 말한다.

전단력은 옆에서 미는 힘으로 생각하면 된다.

수직력은 위에서 즉 면에 직각으로 작용하는 힘을 말한다.

예를들어 손바닥으로 종이를 받치고 있다고 가정을 하자. 이 때 다른 손으로 종이면을

위에서 누르면 이는 종이면에 수직력을 작용하게 하는 것이고, 이 때 가하는 전체 힘을

손바닥 면적으로 나누면 이는 수직응력이 될 것이다.

이번에는 종이를 손바닥으로 옆으로 민다고 생각해 보자. 종이가 옆으로 밀려가게 될

것이다. 종이가 밀려간다는 의미는 종이가 위에서 눌리는 힘에 의하여 종이와 손바닥

사이에는 마찰력이 발생하게 되는데 밀린다는 것은 마찰력이 수직으로 눌리는 힘보다

크다는 것이다. 이 때 발생하는 마찰력의 방향은 종이면과 평행하게 된다. 이 때 발생

하는 마찰력을 손바닥 면적으로 나누면 전단응력이 되는 것이다.

위 그림의 좌상단 그림은 고체가 전단응력과 수직응력을 받았을 때 나타나는 현상을

보여준다. 네번째 그림이 전단응력이 발생했을 때 나타나는 현상을 보여준다.

점성은 끈적거림을 말한다. 고체는 점성이 존재하지 않는다. 액체는 점성이 높고

기체는 점성이 아주 낮다. 기체는 온도가 낮으면 점성이 높고 온도가 높아지면 점성이

낮아진다. 고체는 압축이 어렵다. 스틸재료의 경우에는 변형을 주기 위해서는 1[㎡] 당

160 GN의 힘이 필요한데 이는 160 Mton의 힘으로 어마어마한 힘이 필요하다.

액체도 큰 힘이 필요한데 반해 기체는 고체 · 액체에 비해 아주 작은 힘으로도 변형이

가능하다.

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