학과 소개 [전공수업소개] 유체역학

2014.01.09 11:56

lee496 조회 수:3099

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안녕하세요? 이번 공상에서는 조선해양공학과와 기계항공공학부 등에서 개설하는 대표적 전공과목인 ‘유체역학(Fluid Dynamics)’에 대해 소개해드리려 합니다. 이 과목은 이름에서 알 수 있듯이 유체의 유동을 이해하고 해석하는 과목인데요, 이 설명으로는 부족할 것 같아서 간단한 식과 개념을 통해 좀 더 구체적으로 소개하겠습니다.
물에 떠있으면서 무언가를 싣거나 태우고 스스로 이동하는 것을 배라고 부르죠. 여기서 물에 떠있는 것을 부양성, 무언가를 싣거나 태우는 것을 적재성이라고 합니다. 부양성과 적재성은 유체역학에서 유명한 부력에 관련되는 성질입니다.

 

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얼음이 물에 떠있는 것을 본 적 있나요? 얼음은 중력을 받으니까 아래로 가라앉아야 할 텐데, 물 위로 모습을 살짝 드러내며 떠있다는 것은 중력이 아닌 어떠한 힘이 또 작용한다는 것이겠죠? 이 힘이 바로 부력(Bouyancy)입니다. 부력은, 그 크기가 물체가 유체에 잠겨있는 부피에 해당하는 유체 무게와 같고 물체의 부력 중심에 가해집니다. 그렇다면 위 그림에서 부력의 크기는, 구체의 부피와 중력 가속도를 각각 V, g라고 한다면 공이 반만큼 잠겨있으니 4.JPG 가 되겠네요. 또한‘가만히 떠있는’상태니까 이 크기는 중력의 크기, 즉 무게인 5.JPG 와 같겠네요. 이 간단한 원리를 이용하여 배가 유체를 밀어낸 부피만큼의 유체 질량이, 배와 배가 실은 물건의 질량과 같거나 크게 설계한다면 (6.JPG ) 배가 물 위에 뜰 수 있게 되는 것이지요.
이번엔 유체역학 과목에서 핵심적인 내용 중 하나인 베르누이 방정식에 대해서 알아보겠습니다. 베르누이 방정식은, 중력장 내에 있고 밀도가 일정한 유체의 상태를 설명해주는 식으로, 7.JPG 혹은 8.JPG 와 같이 표 현 됩 니 다 . 이때
constant는 일정한 상수를 가리킨답니다. 베르누이 방정식은 간단하면서도 매우 중요한 공식입니다. 유체의 속도, 에너지, 압력과 같이 중요한 값들을 구할 수 있고, 그 유체의 계가 바뀌지 않는다면 그 값들의 합이 일정하다는 것을 알 수 있기 때문입니다.

유체역학에서는 위와 같이 공식에 관련된 내용뿐만이 아니라, 유체를 바라보는 시각에는 어떤 것이 있는지도 배우게 됩니다. 유체 입자 하나 하나를 생각하는 Lagrangian 방식과, 어떠한 부피를 지나가는 유체의 흐름을 생각하는 Eulerian 방식이 있음을 알고, 이를 기초로 하여 여러 개념들을 배우는 것이지요.

유체역학에는 지금까지 소개한 개념들 외에도 정말 많은 내용이 있고, 각 과의 특성에 따라 중요시하는 부분도 다릅니다. 예를들어 조선해양공학과에서는 좀 더 심화된 유체역학 과목인 ‘선박유체역학’을 개설한답니다. 배는 유체 중에서도 특히 바다에 떠있다는 특성상 대기와 해수라는 2가지 유체의 영향을 받기 때문에, 유체의 유동을 이해하고 힘과 에너지를 계산하는 것이 매우 중요하지요.
고등학교 때 배우게 되는 역학은 대부분 강체(Rigid body, 모양과 부피가 일정한 물체)에 대한 것이기 때문에 유체에 대한 내용이 조금 낯설지도 모르겠습니다. 그러나 대학생이 되어 유체역학을 공부하면, 역학에 대한 시야를 넓히고 새로운 원리들을 익힐 수 있을 것입니다. 그러면 저처럼 이 글을 읽는 미래의 공학도 여러분도 (힘들지만) 재미있다고 느낄 수 있을 거예요. 만약 나중에 조선해양공학과에 입학하신다면, 유체역학 정말 열심히 하시길 바랍니다.

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