Fluid Mechanics: Fundamental Concepts, Fluid Properties (1 of 34)

유체 역학 첫걸음 떼기!

1. 유체란 무엇인가?

• 정의: 외부에서 힘(전단 응력)을 가하면 계속해서 변형되는 물질이야.
• 예시: 물, 공기, 기름, 제트 연료 등등 우리가 주변에서 흔히 보는 것들이 모두 유체야.
• 고체와의 차이: 고체는 힘을 가하면 조금 변형되다가 멈추지만, 유체는 힘을 계속 가하면 계속해서 변형돼. 마치 물에 손가락을 넣고 밀면 계속 밀리는 것처럼 말이지.

2. 유체의 종류

• 액체: 물이나 커피처럼 컵에 담으면 모양이 변하지만, 원래 형태를 유지하려는 성질이 있어.
• 기체: 공기처럼 컵에 담으려고 해도 퍼져나가 버리지. 분자들끼리 붙잡고 있는 힘이 액체보다 약하기 때문이야.
• 주의: 치약처럼 처음에는 뻑뻑하다가 힘을 주면 흐르는 물질도 있지만, 이건 이번 수업에서 다루지 않을 거야. 우리는 물, 공기 같은 일반적인 유체에 집중할 거야.

3. 단위계: SI vs. 영국식

• SI 단위계: 미터, 킬로그램, 뉴턴 등등 숫자가 깔끔하고 10의 거듭제곱으로 표현되는 경우가 많아서 사용하기 편해. (예: 1미터 = 100센티미터)
• 영국식 단위계: 파운드, 피트, 갤런 등등 단위 변환이 복잡하고 외워야 할 게 많아. (예: 1갤런은 몇 파인트? 몇 쿼트?)
• 현실: 안타깝게도 세상은 SI 단위계만 쓰지 않아. 특히 미국에서는 두 가지 단위계를 모두 사용하기 때문에 둘 다 잘 알아야 해.
• 단위계 정리:
  • SI: 질량(kg), 길이(m), 힘(N), 시간(s)
  • 영국식: 질량(slug), 길이(ft), 힘(lb), 시간(s)
  • 주의: 영국식에서 'pounds'는 보통 힘(lb)을 의미하고, 질량은 'slug'라는 단위를 써. 1 slug는 약 32.2 파운드 질량과 같아.

4. 유체의 중요한 성질들

• 밀도 (ρ, rho): 단위 부피당 질량이야. (SI: kg/m³, 영국식: slug/ft³)
• 비중량 (γ, gamma): 단위 부피당 무게(힘)야. (SI: N/m³, 영국식: lb/ft³)
• 비중: 어떤 유체의 비중량을 물의 비중량으로 나눈 값이야. 온도가 같을 때를 기준으로 해서 단위가 없어.
• 이상 기체 법칙: 기체에 적용되는 법칙으로, 압력, 밀도, 온도의 관계를 나타내. (P/ρ = RT)
• 점성 (μ, mu): 유체가 흐를 때 서로 마찰하려는 성질이야. 점성이 높을수록 끈적거리고 잘 흐르지 않아. (SI: Pa·s, 영국식: lb·s/ft²)
  • 점성 계수 (μ): 전단 응력(τ)과 속도 구배(du/dy)의 비례 상수야. (τ = μ * du/dy)
  • 동점성 계수 (ν, nu): 점성 계수(μ)를 밀도(ρ)로 나눈 값이야. (ν = μ/ρ)
• 뉴턴 유체 vs. 비뉴턴 유체:
  • 뉴턴 유체: 점성 계수가 일정해서 전단 응력과 속도 구배가 비례하는 유체야. 물, 공기, 기름 등이 여기에 속해. 그래프로 그리면 직선이 나와.
  • 비뉴턴 유체: 전단 응력과 속도 구배가 비례하지 않는 유체야. 케첩, 페인트, 치약 등이 여기에 속해. 그래프로 그리면 곡선이 나와.
• 표면 장력 (σ, sigma): 액체 표면에서 분자들이 서로 끌어당기는 힘이야. 단위 길이당 힘으로 나타내. (단위: N/m 또는 lb/ft)
  • 예시: 물 위에 동전을 조심스럽게 올려놓으면 가라앉지 않는 이유가 표면 장력 때문이야.

5. 압력 (Pressure)

• 정의: 단위 면적당 작용하는 힘이야. (힘/면적)
• 압력의 종류:
  • 절대 압력: 완벽한 0 압력(진공)을 기준으로 측정한 압력이야. 항상 양수 값을 가져.
  • 게이지 압력: 주변의 대기압을 기준으로 측정한 압력이야. 대기압보다 높으면 양수, 낮으면 음수 값을 가져.
• 표기:
  • SI: kPa (절대 압력은 kPa abs라고 표시하기도 해)
  • 영국식: psi (절대 압력은 psia, 게이지 압력은 psig라고 표시해)
• 주의: 문제에서 그냥 '압력'이라고 하면 보통 게이지 압력을 의미하는 경우가 많아. 하지만 책이나 문제에서 '절대 압력'이라고 명시하면 그걸 따라야 해.

6. 문제 풀이 팁!

1. 그림 그리기: 문제를 이해하기 위해 그림을 꼭 그려봐. 스케치가 문제 해결의 절반이야.
2. 기호로 식 쓰기: 숫자를 바로 대입하지 말고, 먼저 관련된 공식을 기호로 써봐.
3. 단위 확인: 각 숫자에 단위를 꼭 붙이고, 단위가 맞는지 확인하면서 계산해.
4. 연습, 연습, 연습: 숙제나 연습 문제를 풀면서 익숙해지는 게 중요해. 답지를 바로 보지 말고 스스로 풀어보는 게 실력 향상에 도움이 돼.

이것으로 유체 역학의 기본적인 내용들을 살펴봤어. 앞으로 배울 내용들을 이해하는 데 큰 도움이 될 거야!