이 포스팅은 학생들이 수업을 듣기 전이나 선택하기 전에...
유체역학이 어떤 과목이고 어떤 것들을 배우게 될지에 대해 알게 하기 위해
간략한 유체역학에 대한 소개를 제공하고자 한다.
물론 강의계획서에 그런 것들이 나와있겠지만,
내 경험 상 대부분의 강의계획서들은 배우기 전의 사람이 이해하기 어려운 전문용어들이 가득하다.
이 포스팅을 통해 학부 유체역학 과목에서 대충 어떤 걸 배울 지 짐작할 수 있게 된다면 좋겠다.
-내가 공부한 책은 아니지만, 표지에 유체역학의 전통적인 분야인 터빈의 이미지가 예쁘게 잘 나와서 올려보았다-
유체역학은 말 그대로 유체가 어떻게 힘을 주고 받는지를 다루는 학문이다.
여기서 유체는 액체나 기체를 말한다.
그리고 유체가 힘을 주고 받는다는 걸 예로 들어 설명하자면...
비행기가 뜨는 것은 공기가 비행기를 밀어올리기 때문이고,
배가 앞으로 나아가는 것은 물이 배를 밀기 때문인 것이다.
고체에 힘이 가해졌을 때,
움직이지 않을 경우에 대해 '정역학' 또는 '고체역학'을 배우고,
고체가 움직일 경우에 대해서 '동역학'을 배우는 것처럼...
유체에 대해서도
유체가 움직이지 않을 때의 유체 정역학이 있고
움직이는 동역학이 있다.
하지만 유체에 대해서는 정역학에 비해 동역학이 압도적으로 중요하며,
정역학에 대해서는 약 1챕터 정도로만 배우게 될 것이다.
여기서 그 유명한 ρgh공식을 배우게 될 것이다. (링크 참고)
나머지는 거의 모두 유체 동역학에 대한 것이라 봐도 무방하고,
유체를 다루기 위한 유용한 개념들을 배우게 된다.
그렇다면 유체는 고체와 무엇이 다를길래,
유체역학이라는 또다른 학문 분야까지 존재하는 걸까?
여러가지 차이가 있겠지만,
첫번째로 보게 될 차이는 고체와 달리 유체는 너무 심하게 이동하기 때문에
유체입자 하나 하나의 시간별 위치를 아는 것이 그리 중요하지 않을 경우가 많다.
맨 위 그림의 터빈의 예처럼
액체 입자가 터빈과 부딪히고 어디를 이동할지에 관심을 갖는 것보다
터빈의 날(blade)과 액체가 맞닿는 딱 그 위치에서 액체가 터빈에
얼만큼 큰 힘을 가하는 지가 훨씬 중요할 것이다.
이를 다루기 위해 입자 하나, 하나를 관찰하던 기존 방식에서 벗어나서
입자가 아닌 특정 위치에서 벌어지는 일들을 관찰할 수 있게 하는
오일러 좌표계(Eulerian coordinates)를 배우게 된다.
물론 오일러 좌표 기술 방법이 유체역학에서만 사용되는 것이 아니지만,
아마 여기서 처음으로 본격적으로 배우게 되는 개념이라 생각한다.
그리고 유체 덩어리를 다루기 위해서...
(유체 덩어리는 유체 입자가 많이 모여있는 덩어리)
유체 덩어리가 특정 물체에 작용하는 힘이나...그 밖의 여러가지들을 알기 위해서
레이놀즈 수송정리(Reynolds transport theorem)를 배우게 된다.
막상 들으면 어려워 보이겠지만,
쉽게 이야기하자면 유체 덩어리에도 F=ma를 적용하고 싶은데
유체는 지멋대로 움직이고 다녀서... F=ma를 적용하는 데에 어려움이 있기에...
오일러 좌표기술 방식의 도움을 받아서 F=ma를 적용할 수 있게 잘 수정해준 것이다.
그리고 이건 유체 덩어리에 대한 것이니 유체 덩어리에 대해 적분을 해준다.
덩어리가 아니라 유체 안에서 특정 위치에 대해서 관심이 있을 때,
딱 그 특정 위치에서 F=ma를 적용하는 것 역시 배우게 되고,
(역시나 오일러 좌표 기술 관점에서...)
유체의 특정 위치에 대해서 F=ma는 너무도 유명한 나비어-스톡스 방정식(Navier-Stoke equation)에
의해 기술된다는 것을 배우게 될 것이다.
이 Navier-Stokes equation은 유체역학의 핵심이다.
딴 건 몰라도, 이건 꼭 열심히 공부하도록 하자.
그리고 유체역학에서 중요하고 독특하게 등장하는 개념인
점성(끈적끈적함, viscosity)이나 표면장력(surface tension)같은 것 들을 배우게 되고..
유체역학에서 자주 사용하는 수학적 기법 또는 실험적 기법인
무차원화(Non-dimensionalization)도 이 과목에서 배우게 될 것이다.
또, 경계층(boundary layer)이란 것도 배우게 될텐데,
이것은 액체의 어느 부분에서 점성이 중요해질 지에 대해서 매우 중요한 정보를 주는 이론이다.
이게 왜 중요한 지에 대해서는... 여기서 설명하기엔 좀 어려움이 있다고 생각한다..
하튼 이것도 매우 중요하다.
관내유동(duct flow)도 배우게 될 것이고,
이것은 파이프안에서 흐르는 액체의 유동을 기술하는 방법을 배우는 것인데,
최근에 관내유동이 많이 연구되는 건 아래와 같은 혈류역학분야이다.
[Image from http://www.osteopathyny.com]
물론 이 혈류역학은 생각보다 복잡한 것들이 많이 있어서...
이에 대해 본격적으로 알고싶다면 관련된 과목을 듣는 것을 추천하지만,
기본적으로 관내유동이다.
여기까지...
학부 유체역학에서 배우게 될 기본 개념들을 소개 또는 요약해보았으며...
후배님들이 수업을 듣기 전이나 후에.. 참고가 되었으면 하는 바람이다.
다음에는 어떤 과목을 소개하는 글을 쓸지 고민이다...
공업수학 같은 건 너무 방대해서 엄두를 못 내겠고...
정역학이나 동역학 정도를 생각하고 있다.
'Study > Fluid mechanics' 카테고리의 다른 글
| 유체역학에서 압력이란? (정압? 정수압? 동압? 전압?) (16) | 2015.05.04 |
|---|---|
| 정수압(hydrostatic pressure): 액주 압력계 문제 푸는 원리 (0) | 2015.05.01 |
| 라플라스 압력 (Laplace pressure) (8) | 2015.01.27 |
| 물질 미분이란? (material derivative) (6) | 2014.11.16 |
| 표면장력, 표면에너지, 계면장력, 계면에너지에 대한 자세한 설명 (12) | 2014.10.14 |