[유체역학] 일반물리 유체역학 요점정리 (파스칼 원리 / 부력(아르키메데스) / 연속 방정식 / 베르누이 방정식)

1. 밀도의 정의

- 밀도는 질량/부피를 의미합니다. 유체역학에서는 강체역학과 달리 액체와 기체에 관한 역학이기 때문에 질량 대신 밀도를 사용합니다. 밀도는 유체의 어느 지점에서나 균일합니다. 

 

2. 비중의 정의

- 상대 밀도라는 뜻을 가지고 있습니다. 물체가 가지는 밀도와 그에 대비하여 4도에서의 물의 밀도 (1000kg/m^3)과의 상대적인 비를 의미합니다. 

 

3. 압력의 정의

- 압력은 단위 면적 당 받는 힘을 의미합니다. 만약 단위면적과 힘이 2배가 증가한다고 하면 압력은 증가 전과 증가 후가 같습니다. 따라서 무조건 힘이 커졌다고 해서 압력도 커지는 것은 아닙니다. 항상 단면적과 함께 생각하시면 좋습니다.

 

4. 계기압력과 절대압력이 무엇인가?

- 우리는 유체에 의한 압력 공식을 p=p0+ρgh로 배웠습니다.

p0는 대기압을 뜻하며 뒤에 나온 ρgh값이 바로 계기압력을 뜻합니다. 즉, 대기압에서 늘어난 만큼의 압력이라 보시면 되겠습니다. 그리고 절대압력은 p를 의미합니다. 따라서 물체가 받는 총 압력을 뜻합니다. 

 

5. 파스칼의 원리

- 밀폐된 용기 내에서 한쪽으로 주어진 압력은 다른쪽으로 동일한 크기의 압력을 가한다는 원리 입니다.  주차타워. 유압가중기같은 것이 파스칼의 원리를 바탕으로 만든 것이라 보시면 되겠습니다. 즉, F1/A1 = F2/A2를 의미합니다.

 

6. 부력 (아르키메데스의 원리)

- 부력의 정의는 유체 속에 잠긴 물체의 부피에 상응하는 크기의 힘을 말합니다. 만약 유체를 누르는 물체 힘이 존재한다면 이 크기와 똑같은 힘 (작용&반작용)이 물체를 들어올리는 방향으로 작용합니다. B로 나타냅니다. 

만약 물 위에 뜬 상태라고 한다면 힘의 평형원리를 이용하여 풀면 되겠군요.

 

7. 연속방정식

- 단면적과 속도의 곱은 항상 일정하다는 방정식입니다. 정확히 지금 제가 말한 것은 비압축성 연속방정식입니다. 비압축성이란 밀도가 동일할 때를 말합니다. 즉, 유체가 하나인 경우를 의미합니다.  압축성 연속방정식은  유체가 2개 이상인 경우에 해당합니다. 보통 베르누이 방정식을 적용하려면 비압축성이여야 합니다. Av=const가 공식입니다.

 

8. 부피 흐름률

- Av의 값은 dV/dt로 나타낼 수 있으며 단위는 L/s입니다. 이 부피 흐름률에다가 밀도를 곱하면 질량 흐름률이 됩니다.

 

9. 베르누이 방정식

- 1) 비압축성  2) 정상류   이 두 조건에서만 성립하는 유체 동역학의 이론입니다. 우리가 강체역학에서 배웠듯이 에너지 보존장인 상태에서는  위치에너지와 운동에너지의 합이 항상 일정한 값을 가졌습니다. 유체역학에서는 이를 지칭하는 방정식이 베르누이 방정식입니다. 

위와 같은 공식입니다. p는 압력입니다. 제가 깜빡하고 p1, p2로 구분을 안했네요 죄송합니다. 

 

10. 점성

- 점성은 유체역학에서의 '마찰력'과 같습니다.  베르누이 방정식에서의 조건을 좀 더 자세히 설명하겠습니다. 비압축성은 위에서 말했듯이 유체의 모든 지점에서 동일한 밀도를 가진다는 뜻입니다. 그리고 정상류는 방향의 흐름이 눈에 띠게 확실한 것을 말합니다. 이 둘에 반대되는 말이 뭘까요? 비압축성의 반대는 압축성을 가지는 유체이며 이를 '점성'이 존재한다라고 말합니다. 생각해보십시오. 유체가 다른데 당연히 이 둘 사이의 '속력의 크기'도 다를 것입니다. 속력의 크기에 영향을 주는 인자는 뭐가있나요? 여러 가지 있겠지만 '마찰력'도 존재합니다. 즉, 점성이 존재한다는 것이죠.

정상류의 반대는 난기류입니다. 흐름이 일정치 않고 방향이 지멋대로인것을 말하죠. 

 

난기류의 경우는 액체에는 없습니다. 기체에 많이 보이는데 생활 속의 예로 담배 연기정도가 있겠습니다. 여러분들이 담배 연기를 관찰해보시면 액체처럼 일정하게 흐르는게 아니라 이리저리 향이 나는 것을 볼 수 있을겁니다. 

 

편입에 필요한 유체역학 개념은 이 10가지로 충분하리라 생각됩니다. 워낙 단원이 짧기도 하고 쉽게 1문제씩만 내기 때문에 꼭 맞추고가시길 바랍니다.