유체란 무엇인가?

오늘은 유체에 관하여 더욱 자세히 알아보자.

 

물질은 고체, 액체 및 기체의 세 가지 주된 상으로 존재한다고 알고 있을 것이다. 액체 또는 기체상의 물질을 가리켜 유체라 한다. 고체와 유체는 물질의 모양을 변형시키려 가해진 전단응력에 저항하는 물질의 능력을 바탕으로 구분된다. 고체는 변형을 통해 전단응력에 저항하는 물질의 능력을 바탕으로 구분된다. 고체는 변형을 통해 전단응력에 저항할 수 있는 반면에, 유체는 아무리 작더라도 전단응력의 영향 아래 연속적으로 변형한다. 고체에서 응력은 변형량에 비례하지만, 유체에서 응력은 변형률에 비례한다. 일정한 전단력이 적용될 때, 고체는 결국 어떤 정해진 변형 각에서 변형을 멈추지만, 유체는 변형을 멈추지 않고 어떤 변형률로 접근해간다.

두 개의 판 사이에 밀착된 직사각형 고무토막을 고려해보자. 아래 판이 고정된 동안, 위 판이 힘 F로 당겨짐에 따라 고무 토막은 변형하게 된다. 고무와 판 사이에 미끄러짐이 없다고 가정하면, 아래 표면이 정지해 있는 동안 고무의 윗면은 위 판의 변위와 같은 크기만큼 이동한다. 평형상태에서 수평 방향으로 판에 작용하는 순수 힘은 영이어야만 하고, 따라서 힘과 반대 방향이며, 크기가 같은 힘이 판에 작용하여야만 한다. 그리고 힘이 제거되면 고무는 원래의 위치로 돌아간다.

이 현상은 적용된 힘이 탄성영역을 초과하지 않는 한, 강철 토막과 같은 다른 고체에서도 관찰될 수 있다.

응력은 단위 면적당 힘으로 정의되고, 힘이 작용하는 면적으로 나눔으로써 결정된다. 표면에 작용하는 단위 면적당 힘의 수직성분은 수직 응력이라 불리며, 표면에 작용하는 단위 면적당 힘의 접선 성분은 전단응력이라 불린다. 정지상태의 유체에서 수직 응력은 압력이라 불린다. 정지상태의 유체는 영의 전단응력 상태에 있다. 벽이 제거되거나 또는 액체 용기가 기울어질 때, 자유 표면이 수평이 되기 위해 액체가 운동하게 됨에 따라 전단응력이 발달하게 된다. 액체에 있어서 분자의 집단은 서로 상대적으로 운동할 수 있으나, 분자 간의 강한 응집력 때문에 부피는 거의 일정한 게 유지된다. 그 결과로 액체는 그 액체에 담긴 용기의 모양을 취하고, 중력장에 놓여있는 큰 용기 내에서는 자유 표면을 형성한다. 반면에 기체는 용기의 벽면에 마주칠 때까지 팽창하고 가용한 공간 전체를 채운다. 이는 기체 분자들이 넓게 분포하고 분자 간의 응집력이 매우 작기 때문이다. 개방된 용기에 들어있는 기체는 액체와 달리 자유 표면을 형성할 수 없다.

대부분의 경우 고체와 유채는 쉽게 구별되지만, 일부 경계선상의 경우 이런 구분이 분명하지 않다. 예를 들면 아스팔트는 짧은 시간 동안 전단응력을 견디기 때문에 고체처럼 거동하고 고체처럼 보인다. 이와 같은 경계선상의 경우는 일반적인 유체역학을 벗어난다.

 

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