유체역학의 개념과 유체의 원리

 

 

 

0. 들어가며

 

유체역학이라는 단어를  처음 접했을 때의 이질감과 두려움이 아직도 생생합니다. 아무래도 사전에 접했던 유체역학이라는 단어의 공포감 때문인지도 모르겠습니다. 정역학, 고체역학, 동역학, 열역학과 같은 다른 과목을 접했음에도 불구하고 인터넷을 통해 어렴풋이 들려오던 유체역학의 압박감은 공부를 시작하기도 전 저를 압도할것만 같은 느낌을 주었던 기억이 납니다. 유체역학이라는 과목을 공부했던 순간을 돌이켜보면 쉬운 길은 아니었습니다. 아무래도 고정적인 물체를 푸는 데 조금이라도 더 나은 소질이 있었던 저에게 흐르고 움직이는 물체를 가정하는 것이 어려웠던 기억이 납니다. 그리고 나비에-스토크 방정식이나 레이놀즈수와 같은 개념에 부딪치며 때때로 늦은 밤까지 문제에 머리를 곯았던 기억도 떠오릅니다.

 

시간이 흘러 다시 유체역학을 마주하게 되었습니다. 일반기계기사 자격증을 딴 순간 더 이상 역학이라는 과목을 만나지 않을 것만 같았던 것과 달리 저는 다시 역학책을 펼치게 되었습니다. 운이 좋게도 국내 유명 기업의 면접에 참여할 수 있는 기회를 얻게 되어, 전공을 다시 공부하게 된 것이죠. 짧으면 2년, 길면 3년만에 전공책과 다시 만나고 나니, 과거의 새록새록한 기억과 마주하고 때로는 이전에 이걸 왜 몰랐을까라는 생각을 떠올리기도 합니다. 전공 면접을 대비해 역학을 공부하고 있지만, 공부를 다시 하다보니 나 자신의 무지에 대해 깨달을 수 있었고 끊임없는 학습과 정리가 중요하다는 것을 다시 깨닫는 지금입니다. 녹슬은 과거의 기억과 지식으로 인해 잘못된 지식을 전달드리지 않을까 우려되는 부분도 있습니다. 그럼에도 불구하고 최선을 다해 포스팅을 작성할테니, 향후 유체역학 관련 글의 방문자분들의 어려움 해소에 조금이나마 보탬이 되었으면 하는 바람으로 글을 시작합니다.

 

 

 

 

1. 유체역학이란?

 

유체역학이란 한마디로 정지해 있지 않고 흐르는 물체에 가해지는 힘이나 움직임을 예측하는 학문이에요. 유체역학이 중요한 이유는 우리 주위의 많은 공학 분야에서 유체가 활용되고 있기 때문입니다. 에너지를 발전시키는 데 필요한 가스터빈이나 열펌프 사이클 역시 유체의 움직임에 의해 발생하며 자동차의 연료 흐름부터 댐이나 방파제와 같은 사회 인프라까지, 우리 주위의 많은 것이 유체를 필요로 합니다. 따라서 이런 유체의 특성을 파악하고 거동과 가해지는 힘을 예측함으로써 안전 수준을 높이고, 원하는 데로 이를 제어할 수 있게 되는 것이죠

 

유체역학은 크게 3가지로 분류된다고 합니다. 바로 유체정역학, 유체동역학, 유체운동학이라는 3가지로 나뉜다고 하는데요. 유체정역학은 기계공학 1학년 과정에서 배우듯이, 정지된 유체에서 발생하는 힘을 다루는 학문이 바로 유체정역학입니다. 마찬가지로 유체동역학은 유체의 움직임에 의해 발생하는 힘을 다루는 학문임을 유추할 수 있죠. 하지만 이전과는 달리 이질적인 유체운동학에 대해서는 생각이 어려울 수 있는데요. 유체운동학은 유체의 움직임을 기하학적으로 연구하는 것으로 유동 및 유선등의 주제를 다루는 것이 유체운동학이라 볼 수 있습니다. 이런 유체역학은 뉴턴 법칙, 질량보존의 법칙, 열역학 제 1법칙과 2법칙(에너지보존과 엔트로피 법칙), 유체의 물성 법칙을 기반으로 세워진 학문이라는 점도 함께 기억해주시면 좋을 것 같네요

 

 

 

 

2. 유체의 개념

 

본격적으로 유체역학을 시작하기에 앞서 물질의 상태를 나타내는 고체, 액체, 기체에 대해 간략히 파악하고, 우리가 향후 다룰 유체의 정의 및 거동을 움직이는데 필요한 연속체의 개념을 다잡고 갈 필요가 있기에 해당 내용 역시 함께 소개하려 합니다. 먼저 고체는 항상 일정한 형태와 체적을 유지하는 물질을 뜻해요. 미시적으로 보면 분자 간 결합이 강하기 때문에 그 형태를 잘 유지할 수 있는 것이죠. 즉 이를 다시 말하면 가해지는 하중에 대해 쉽게 변형되지 않고, 변형된 상태에서도 무게를 지탱하는 것이 바로 고체라고 합니다.

 

액체는 고체와 달리 분자 간 거리가 상대적으로 밀어 일정한 형태를 계속 유지하기는 힘들어요. 액체의 가장 큰 특징은 형태를 유지하지 못하고 흐른다는 점입니다. 이로 인해 액체를 담는 공간에 따라 그 형태가 달라지게 되고, 만약 닫힌 공간 내에 있다면 고체마냥 큰 무게를 지탱할 수 있는 것이죠. 반면 기체는 분자 간 거리가 매우 멀기 때문에 특정 공간에 내부 부피 전체를 가득 매울 수 있다는 특징이 있어요. 그래서 기체는 고체와 액체와 달리 상대적으로 이동에 대한 제약이 자유롭다는 특징 또한 갖고 있다고 책에서는 언급하고 있었습니다.

 

유체는 앞서 간단히 말했듯이 "흐를 수 잇는 물질"로 정의됩니다. 이를 공학적으로 표현하면 외부에서 전단력이나 접선 방향으로의 힘이 가해졌을 때 그 형태를 일정하게 유지하지 못하고 계속 변형이 일어나는 물질이라 정의할 수 있죠. 만약 전단응력이 지속적으로 작용한다면 유체는 전단력에 의해 그 형태가 계속 변화하고, 전단력이 제거된 이후에도 이런 변형을 계속 유지한다는 특성을 가지고 있습니다.

 

마지막으로 연속체는 유체역학에서 유체의 거동을 쉽게 파악하기 위해 도입한 개념이라고 해요. 유체 내부에 존재하는 모든 분자의 움직임을 고려할 수 없기 때문에 기인한 문제를 해결하려 한 것인데요. 특정 공간에 존재하는 유체가 균일하고 연속적으로 분리되어 있다고 간주하는 것을 우리는 연속체라 정의한다고 해요. 해당 가설에 따르면 유체의 성질은 전체 공간의 평균을 나타내게 되며, 이를 무시할 수 없을 경우 통계적 기법을 적용해야 된다고 합니다.

 

 

 

 

이번 포스팅에서는 유체역학의 개념과 유체의 정의에 대해 알아보았습니다.

다음 포스팅부터 본격적으로 유체역학의 기초에 대해 다져보는 시간을 가져보겠습니다.

끝까지 글을 읽어주셔서 감사합니다 :)