아낌없이 주는 나무

가. 물질과 상

​

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.

​

​

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.

​

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.

​

#물질 #유체역학 #상 #Phase #분자 #유체 #고체 #액체 #기체 #전단응력 #수직응력

#전단력 #수직력 #압력 #점성 #마찰력

【 일의 중력 단위 변환】

▣ 일의 단위 N · m는 국제표준단위이지만 절대단위로서 이는 지구상에서는 존재하지 않는 단위이다. 따라서 지구상에

     존재하는 실제의 일 단위인 중력단위로 변환해 보자.

▣ 절대단위를 중력단위로 변환할 때는 절대단위를 중력단위 변환계수 gc로 나눠준다.

  ⊙ 중력단위 변환계수 gc= 9.8 ㎏ · m / ㎏f · sec2 이다.​

【 동력 (Power) 】

▣ 동력은 일률이라고도 한다. 즉, 시간분의 일의 양으로 시간당 얼마만큼 일을 할 수 있는지를 나타낸다. 일반인에게는

     동력을 힘으로 오해를 하는데 동력은 힘을 넘어선 개념으로 일을 할 수 있는 능력 즉 에너지를 말한다.

※ 일률을 이해하려면 만약에 어떤 사람이 2㎏의 박스 2개를 1층에서 5층으로 옮겼다고 하면 일의 물리량은 알 수 있지만

     소요된 시간은 알 수 없으므로 일을 잘하는 것인지 못하는 것인지는 알 수가 없다. 따라서 일률 (일하는 능력)을 알아

     보려면 시간의 개념을 넣어서 10분에 했다든지 하여 비교를 하게 되면 일의 능력을 알 수가 있다.

     이렇게 일할 수 있는 능력을 동력(일률)이라고 한다.

⊙ 동력 = 일량 / 시간 = Joule / sec

             = ㎏ · ㎡ / sec3 [Watt]

  ex : 1[Watt]의 동력을 중력단위로 바꾸어 보자.

      중력단위 = 절대단위 / gc​

【 압력 (Pressure) 】

▣ 압력은 특정한 면에 작용하는 힘을 말한다.

  ⊙ 압력 = 수직력 / 면적 = N / ㎡ [Pa]​

  ※ 수직력 : 힘 또는 전압력이라고도 한다.

​

【 온도 (Temperature) 】

▣ 국제표준온도 : 절대온도 [K] Kelvin 온도

  ① 섭씨온도 : 물이 어는 점 0 [℃] 와 물이 끓는점 100 [℃] 사이를 100 등분한 온도단위

  ② 화씨온도 : 물이 어느점 32 [˚F] 와 물이 끓는점 212 [˚F]를 180 등분한 온도단위

  ◈ 섭씨온도와 화씨 온도간에 변환을 하여 보자​

【 밀도 (Density)】

▣ 밀도는 단위 부피당 질량을 말한다. 즉, 밀도는 질량을 부피로 나누어 산정한다. 그런데 질량은 변화하지 않으므로 밀도

     는 동일 무게에 차지하는 부피의 크기에 따라 달라지게 된다.​

① 기체의 밀도

 가. 표준상태 (0 ℃, 1기압)인 경우​

  ※ 모든 기체는 아보가드로의 법칙에 의하여 0 [℃], 1기압에서 1 [mol]의 부피가 22.4 ℓ 이다.

  ※ 1[mol]의 질량은 그 물질의 분자량과 같다.

​

 나. 표준상태가 아닌 경우

【비중량 (Specific Weight)】

▣ 위에서 밀도는 단위 부피당 질량이라고 말하였다. 그런데 질량이란 절대단위는 지구상에는 존재하지 않으므로 밀도도

     가상적인 의미의 단위이다. 따라서 지구상에서 실제 존재하는 밀도의 개념이 필요한데 비중량이란 개념으로 이끌어

     낸다. 비중량은 밀도와 같이 같이 단위 부피당 중량을 의미한다. 그러므로 비중량은 중량을 부피로 나누어 산정하게

     되는데 중량은 질량 × 중력가속도이므로 비중량은 밀도 × 중력가속도가 된다.​

  ※ 질량 × 중력가속도 = 중량

      밀도 × 중력가속도 = 비중량

  ※ 질량에 중력가속도를 곱하면 중량이 된다. 질량은 중력가속도를 받지 않는다. 밀도는 중력가속도를 받지 않는 질량을

      부피로 나누어 산정한다. 이 밀도에 지구상에 있는 모든 물질은 중력가속도를 받게 되므로 중력가속도를 곱하면 비중

      량이 된다. 거꾸로 말하면 밀도라는 것은 비중량의 개념이 들어가 있다. 즉, 밀도는 여러 물질과 비교한 무게라는

      개념이다. 단위 부피당 무게라는 것은 물질간 무게를 비교한 개념인 것이다.

​

 ② 중력단위

   예를 들어 물의 밀도를 비중량으로 바꾸어 보자.

   물은 1㎏ / ℓ ⇒ 1,000 ㎏ / ㎥ 이다.

            1,000 ㎏ / ㎥ × 9.8 m / s2 = 9,800 N / s2

이번에는 질량으로 나타낸 몸무게를 중량으로 나타내 보자.

[중력단위 변환 연습]​

[ 비중 (Specific Gravity) ] : 무차원수

▣ 비중은 어떤 특정 물질을 기준으로 하여 그 물질이 대비되는 밀도나 비중량을 말한다.

    이는 무차원수로서 단위가 없어 차원이 없다.​​

  ① 액체, 고체의 비중​

  ② 기체의 비중​

  ※ 프로판가스의 밀도를 구해 보자​

【 비체적】

 ▣ 밀도의 역수를 말한다.

 ▣ 비체적은 어떤 물질의 단위 무게, 즉 질량에 대한 차지하는 부피의 비율을 말한다.

      이것도 기준물질에 대비하는 개념이다.​

#힘 #물리량 #유체역학 #일 #중력가속도 #비체적 #밀도 #비중 #차원 #물질 #온도 #섭씨 #화씨 #중력 #동력 #비중량 #질량 #중량 #속도 #거리 #부피 #비율 #압력 #전단력 #전단응력

1. 물질의 분류

가. 물질의 구분

  ▣ 원래 물질은 고체, 액체, 기체로 구분하나 유체 역학에서는 고체와 유체로 나눈다.

       액체와 기체를 합해서 유체로 다룬다.

가. 고체

  ▣ 전단력을 가하면 전력력에 의하여 변형을 이루다가 제거하면 곧바로 평형을 이루는 상태로 정지하는 물질을 말한다.

  ※ 전단력 : 자르는 힘 : 자르는 힘을 가하면 변형을 이루다가 제거하면 평형을 이룬다.

​

나. 유체

  ▣ 전단력을 가하면 전단력에 의하여 변형을 이루다가 제거해도 곧바로 평형을 이루지 않고 일정 시간 동안 변형을

       지속하는 물질을 말한다.

​

다. 전단력과 수직력

 ① 전단력

   ▣ 면(面)을 따라 평행하게 작용하는 힘으로 일종의 마찰력을 말한다.

   ⊙ 기체

   ⊙ 액체에 큰 힘(압력)을 가할 때

     ※ 지구상에 있는 모든 것 중에서 변하지 않는 것이 있는데 바로 질량이다. 질량은 물질이

         가지고 있는 고유한 무게이기 때문에 환경이 변해도 질량은 변화하지 않는다.

     ∴ 그러므로 밀도가 변한다고 말하는 것은 질량은 변하지 않으므로 부피가 변했다고

          하는 말과 같은 의미가 된다.

​

② 비압축성 유체

  ▣ 주위의 환경이 변화에도 밀도가 변하지 않는 유체​

※ 국제표준단위 : 절대단위로 사용한다. ㎏f, gf를 쓰면 중력단위이다.

​

[절대단위와 중력단위의 변환]

​

① 절대단위를 중력단위로 변환​

② 중력단위를 절대단위로 변환​

[힘 (force)]

▣ 힘(중량) = 질량 × 가속도 (중력가속도)​

ex) 1 Newton은 몇 dyme 인가 ?​

다른 변환방법​

※ 절대단위를 중력단위로 변환​

​

#유체 #유체역학 #밀도 #액체 #점성 #마찰력 #전단응력 #전단력 #중량 #가속도

#중력가속도 #차원 #단위 #절대단위 #중력단위 #국제표준단위 #질량 #뉴턴

#단위변환 #물리량 #밀도