소개 (Introduction)

본 블로그는 공학에 관심있는 공학도들과 지식을 공유하고자 구축 중입니다. 특히 공학 분야는 수학 등 배경 지식이 없으면 체계적 습득이 어려우므로 관련 용어를 링크로 연결하여 편의를 제공하고자 하였습니다. 질문이나 요청이 있으시면 Email 이나 댓글 남겨 주세요. 지식과 시간이 허락하는 범위에서 답해 드리겠습니다. 감사합니다.

저자    서창수, 기계공학 학사
Email   richscskia@gmail.com

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전단응력 (Shear Stress)

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전단응력은 상대운동을 하는 유체 의 층 사이에서 발생하는 단위면적당의 마찰력이다. 고체의 경우는 전단응력이 전단변형률 (shear strain)에 비례하지만, 유체 내부에서 발생되는 전단응력은 전단 변형률의 시간에 따른 변화율(rate of shear strain)에 비례한다. 그리고 이 전단변형률의 변화율은 각 방향 속도구배의 합과 같다. 위의 그림과 같이 유동장 내 모든 부분에서의 속도 u가 동일한 x방향을 향하는 유동의 경우에, y방향으로만 속도가 변화한다고 가정하면 전단변형률의 시간에 따른 변화율은 y방향의 속도구배 와 같다. 따라서 전단응력 τ는 속도구배에 비례하므로 다음과 같이 표현한다. \(\begin{align*}\tau=\mu\frac{du}{dy}\end{align*}\) 여기서 비례상수 μ는 점성계수 (viscosity) 또는 절대점성계수 (absolute viscosity)라고 한다. 절대점성계수는 힘×시간/면적의 차원을 가지며 SI단위계에서 \(\rm Pa\cdot s(\equiv N\cdot s/m^2)\)의 단위를 갖는다. 특히 다음과 같은 고유의 단위를 갖는다. \(1\,\rm poise=10^{-1}\,Pa\cdot s=1\,dyne\cdot s/cm^2\) 여기서 poise는 포이슐(Poiseuille)의 업적을 기리기 위해 붙인 것이다. 영국단위계로는 \(\rm lbf\cdot s/ft^2\)이 단위로 사용된다. 대부분의 유체는 속도구배와 무관한 점성계수를 가지며, 이와 같은 유체를 뉴우톤 유체 (Newtonian fluid)라 한다. 그러나 혈액이나 플라스틱(plastic), 타르(tar) 등과 같은 유체들은 점성계수가 속도구배의 함수가 되어 유동상태에 따라 다른 μ값을 갖는다(아래 그림). 이러한 유체들을 비뉴우톤유체 (non-Newtonian fluid)라고 한다. 레올로지(rheology)라는 학문은 비뉴우톤유체의 유동과 변형을 다룬다. 출처 en.wikipedia.org 절대점성계수와 밀도의 비는 동점성계수 (k
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절대압력과 계기압력

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  압력 은 반드시 기준 압력선에 대하여 표시한다. 만약 압력측정에 있어서 기준압력이 진공이라면 측정된 압력은 아래 그림에서 보는 것처럼 절대압력(absolute pressure)이 된다. 그러나 대부분의 압력계는 보통 대기압과 측정된 압력의 차이를 나타낸다. 대기압 에 대하여 측정한 압력은 계기압력(gage pressure)이라 한다. 이상기체 상태방정식의 모든 계산에서는 절대압력을 사용하며 절대압력과 계기압력 사이에는 다음 식이 성립한다. \(p_{절대압력}=p_{계기압력}+p_{대기압}\)
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표면장력 공식

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중력 이나 기타 외력들을 무시하면 기체 내의 액체 덩어리는 완전한 구형을 유지한다. 그 이유는 액체 방울 내부의 분자들은 동종의 분자들로 둘러싸여 모든 방향에서 균일한 인력(cohesive force, 응집력)을 받는 반면에, 액체 방울 표면에 위치한 분자들은 내부로부터는 동종의 분자들 사이에 작용하는 응집력을 받고 외부로부터는 이종의 분자들 사이에 작용하는 인력(adhesive force, 부착력)을 받기 때문이다. 즉, 액체 분자들 사이에 작용하는 응집력이 액체와 기체 분자 사이에 작용하는 부착력보다 크기 때문에, 표면 상의 액체 분자들은 내부로 향하는 힘을 받게 되어 완전한 구형을 이루게 된다.  그러므로, 액체 방울 내부의 분자를 표면으로 옮기기 위해서는 일정량의 일을 해주어야 한다. 일정량의 액체가 구형을 이루고 있는 액체 방울에 첨가될 경우, 표면적의 증가로 내부 분자들의 표면 가까이 이동해야 한다. 이러한 이동을 위해서는 앞서 언듭한 바와 같이 일정량의 일이 수행되어야 하며, 이 일의 양은 표면적의 증가량에 비례한다. 따라서 표면적의 확장은 에너지를 필요로 하며, 단위 표면적당의 일의 의미를 갖는 이 에너지는 표면장력이라 불리운다. 표면장력은 σ의 기호로 표시되며, 힘/길이의 차원을 N/m, lbf/ft 등의 단위로 나타낸다. 위의 과정으로 볼 때 실제로 표면장력을 포함하는 표면은 존재하지 않으나, 계산상의 편의를 위해 액체의 표면은 접선 방향의 균일한 인장력이 작용하는 막으로 취급된다. 표면장력의 크기는 일반적으로 온도와 압력 에 따라 변한다. 이러한 표면장력은 고체나 다른 유체와 접촉하는 액체 표면상에서 항상 작용한다. 많은 유체역학 문제들에서 이 힘은 다른 힘들에 비해 크기가 작아 무시되지만, 모세관 현상이나 기포의 형성, 물줄기의 분열, 액체 방울의 형성 등의 현상을 지배하는 힘이 된다. 구형 액체방울의 압력과 표면장력 표면장력이 작용하는 표면을 가로질러서는 항상 압력강하가 일어난다. 압력강하와 표면장력과의 관계를 알기 위해 위와
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