물체에 작용하는 압력 항력

오늘은 물체에 작용하는 압력항력에 관하여 알아보자.

흐름 중에 놓인 물체 또는 정지 유체 중을 운동하는 물체에는 반드시 저항이 작용한다. 그중 주류 또는 물체의 진행 방향에 수직인 힘의 성분을 양력, 평행한 성분을 항력 또는 저항이라고 부른다. 물체가 유체로부터 받는 힘은 물체의 표면에 작용하는 응력의 적분 치이며, 응력은 표면에 수직인 압력과 접선방향의 전단응력으로 나눌 수 있다. 물체 표면의 전단응력을 물체 표면에 대하여 적분하여 얻는 힘을 마찰항력이라고 한다. 그러나, 물체에 발생하는 압력 차에 의한 흐름 방향의 성분을 물체 표면상에서 적분하여 얻은 힘을 압력항력이라고 한다.
이 압력항력은 물체의 형상과 전술한 박리에 의하여 달라지므로 형상항력이라고도 한다.
예를 들면, 흐름 중에 평판, 원주 또는 구, 유선형 물체가 각각 놓여있다고 가정해보면 이들 모두 유체가 물체 표면을 따라 흐르면 경계층이 발달하고, 특정 점에서 박리가 발생하여 그 하류에는 와동이 생겨 후류를 형성한다. 이들 물체의 상류에는 정체 점이 있으며, 그 점에서 최대의 국소 압력이 나타난다.

원판이 경우, 박리가 축 단에서 발생할 가능성이 높으며, 그 점에서는 국소 속도가 크고 압력은 낮다. 이 낮은 압력이 후류에 접하여 원판의 하류 측은 상류 측에 비하여 낮은 압력이 되므로 원판이 전진하는 데는 압력항력으로 작용하게 된다.
원주 또는 구의 경우, 후류는 원판의 경우보다는 작지만 역시 박리 점의 하류 쪽에 압력이 낮게 된다. 따라서 정체 점을 포함하는 상류 측과 후류를 포함하는 하류 측의 압력 차에 의하여 압력항력이 발생한다. 이때 원주 또는 구의 표면에 전단응력에 의한 마찰항력이 발생하지만 압력항력에 비하여 무시할 수 있을 정도이다.
유선형 물체의 경우, 후류는 아주 작으며 물체 후단에서의 경계층에 상당하는 폭 정도이다. 유선형 물체에서는 박리나 유동의 감속이 없으므로 원판이나 원주의 경우처럼 후류의 압력이 낮지 않다. 따라서 유선형 물체는 일반적으로 유체와 접하는 표면적이 크므로 마찰 항력은 원판이나 구의 경우보다 크다.
원주 주위의 흐름과 압력항력에 관하여 알아보면, 흐름은 전방 정체 점에서 속도가 0이 되며, 그 점에서 상하로 흐름이 나뉘어 각각의 방향으로 진행한 후 후방 정체 점에서 합류하여 하류 방향으로 흐른다. 이때 후방 정체 점에서는 속도가 0이 되며, 속도가 0인 점을 정체 점이라고 하고, 그 점의 압력을 정체 압력이라고 한다.

이번에는 곡률을 갖는 물체의 압력항력에 관해 알아보자,
유속의 흐름 속에 임의의 곡률을 갖는 물체가 놓여 있는 경우, 물체 표면의 미소 면적에는 점성에 의한 마찰응력과 면적에 수직 방향으로 압력이 작용하고 있다. 물체의 표면이 흐름방향과의 각도라고 하면 여기에 작용하는 항력은 위의 두 함에 대한 흐름방향의 힘의 성분을 물체의 전 표면에 걸쳐 적분하여 구할 수 있다.