항력(drag)과 항력계수(drag coefficient)의 개념에 대해서 알아보자!

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항력(drag)의 개념에 대해서 알아보자. 

한글로 항력이라고 하는데, 

나는 이보다 저항력이라고 하는 것이 더 와닿는 표현인 것 같다.

항력은 

고체 물체가 유체 안에서 일정한 속도로 이동할 때 
또는 
정지해 있는 고체 물체 주위에 일정한 속도의 유체 흐름이 있을 때 
액체가 고체 물체에 작용하는 힘이다.

다시 정리하여 말하면, 

고체 물체와 그를 감싸는 유체사이에 일정한 속도의 상대적인 운동이 있을때,  액체가 고체에 작용하는 힘

이다.

여기서 일정한 속도라는 점이 중요하다. 

왜냐면, 일정한 속도가 아닌 가속의 효과가 있을 때는 

added mass force와 history force가 추가로 작용하기 때문이다 

(이들의 한글 이름은 모르겠다).

우선, 아래의 항력식(drag equation)을 먼저 보고 설명을 하도록 하겠다.

위에서 F_D는 항력(N), ρ_l은 유체의 밀도(kg/m³), V는 유체와 고체사이의 상대속도(m/s), C_D는 항력계수(drag coefficient),
그리고 A는 상대속도에 대해 수직인 단면적의 넓이(m²)이다.

항력을 이해하는 점에 있어, 

가장 중요한 것은 이것이 경험적 식(empirical relation)이라는 점이다. 

이 식은 Navier-Stokes식과 같은 법칙으로 여겨지는 식에서 유도된 것이 아니라, 

차원해석(dimensional analysis)로부터 유도된 것으로 

적절한 C_D의 값에 대해 성립한다는 것을 경험적으로 알고있는 것이다.


본래 항력이 발생하는 점에 있어선 두가지 원인이 있다.

첫번째는 압력에 의한 것이고, 두번째는 액체의 점성에 의한 것이다.

그렇기에 사실 식도 서로 다른 2개의 식이 주어져야 하지만, 

이 2가지 효과가 하나의 경험적 식에 의해서 

너무나도 잘 표현이 되기에 현실적인 이유로 위 식을 사용하는 것이다.

(수학적 표현에서는 물리적의미가 있는 것뿐 아니라 간단한 것이 매우 중요하다. 

2개의 식보다는 하나의 식이 훨씬 풀기 쉬운 건 자명하다.)

물론, 레이놀즈 수(Reynolds number)에 따라서 압력과 점성에 의한 영향력이 변하고, 

이는 레이놀즈 수에 따른 항력계수 값 변화에 반영되어 있다.
물론, 이 항력계수는 물체의 형상에도 크게 영향을 받는다.

이 항력계수는 구 ,원기둥, 사각기둥과 같은 기본적인 형상에 실험적으로 이미 잘 데이터가 확보되어 있으며 검색하면 쉽게 찾을 수 있을 것이다.

더 자세한 설명과 항력계수에 대한 자료로는 아래의 위키피디아 사이트를 사용하도록 하자.

http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_(physics)

(항력에 대한 위키피디아 자료)

http://en.wikipedia.org/wiki/Drag_coefficient

(항력 계수에 대한 위키피디아 자료)