물체에 작용하는 저항

오늘은 물체에 작용하는 저항에 관하여 알아보자.

유체 속에 잠겨있는 물체가 운동할 때 발생하는 힘(저항력)은 공학적으로 대단히 중요하다. 이것은 외부 유동에 해당하며 내부유동과 마찬가지로 층류와 난류의 구별이 중요할 뿐 아니라 물체의 표면에 나타나는 경계층과 속도분포도 중요하다. 외부 유동에서 물체가 받는 힘은 항력과 양력으로 나눌 수 있으며, 이들은 경계층이나 속도분포뿐 아니라, 물체의 형상에 따라서 많은 영향을 받는다. 이러한 외부 유동의 공학적 응용 분야는 비행기, 자동차, 잠수함, 풍력터빈, 건물, 펌프의 임펠러 등이다.

 

비행기 날개, 자동차, 잠수함, 물고기 등과 같이 정지 유체 속을 물체가 운동하거나, 정지 상태의 물체 주위를 유체가 흐르는 유동을 외부 유동이라 하며, 내부 유동과 구별된다.
내부유동에서는 경계층이 관 벽으로부터 성장하여 하류에서 만나고 결국 관 내 전체를 경계층이 채우면서 점성이 지배적인 영향을 주게 된다. 그러나 외부 유동은 공간의 제한이 없으므로, 점성 층이 두꺼워지더라도 자유롭게 확장될 수 있으며, 이 외부 유동에서는 경계층 이론이 중요하지만, 복잡한 형상의 물체에 대해서는 실험에 의존하는 실정이다.
물체에 작용하는 항력은 크게 나누어 압력항력과 마찰항력이 있다. 압력항력은 형상항력이라고도 한다. 압력항력은 물체의 표면에 작용하는 압력에 의한 힘의 흐름 방향의 성분이다. 또한 마찰 항력은 물체의 표면에 작용하는 마찰력의 흐름방향 성분이며, 유체의 점성계수, 유속, 유동 유체가 물체와 접하는 접촉면적에 비례한다.
1개의 평판이 유속 u인 유체 속에 놓여있는 경우, 압력에 의한 힘의 방향 성분은 거의 작용하지 않고 마찰 저항이 지배적이다. 이에 반하여, 평판을 흐름에 수직으로 놓으면 마찰력은 거의 작용하지 않고, 압력에 의한 힘 즉, 압력 항력이 지배적이다. 이것은 판의 뒷면에서 흐름이 박리를 일으켜 물체의 표면에서 와류가 발생하므로 압력이 저하하기 때문이다. 따라서 판의 앞면과 뒷면과의 압력 차가 생기는 결과에 따라 흐름방향으로 힘이 작용하게 된다. 여기서, 판 흐름의 와류 영역을 후류라 한다. 이와 같은 압력의 저하는 점성으로 인하여 생기며, 만일 점성이 없는 유체의 흐름이라면 유선은 좌우 대칭이 되어 압력 차가 생기지 않는다.

 

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