[유체역학] 항력과 양력

항력과 항력은 물체의 주위의 유동이며, 외부유동에 대한 것입니다.

 

유체가 어떤 딱딱한 물체 주위를 운동할 때, 물첼표면에는 수직으로 압력힘이 작용하며,

동시에 물체 외부 표면과 나란한 방향으로 전단력이 작용합니다.

 

물체의 전표면에 작용하는 이러한 힘들의 자세한 분포보다는, 물체의 표면에 작용하는

이러한 압력힘과 전단력의 합의 결과가 일반적으로 관심의 대상인 경우가 많습니다.

 

이러한 압력힘과 전단력을 합한 최종 힘의 유동방향 성분을 항력이라고 하고, 유동의 수직방향 성분을 양력이라고 합니다. 

일상생활에서 물체 주위의 유동 출처: McG 유체역학

일상새활에서 자주 접하는 고체 물체 주위 유동은 다음과 같이 많은 물리적 현상들과 관계가 있습니다.

 

자동차, 송전성, 나무 그리고 해저 수송관 등에 작용하는 항력, 비행기 날개에 의한 양력, 비, 눈, 해일과 

강한 바람에 의한 먼지입자 들의 상승기류, 혈류에 의한 적혈구의 이동, 풍력기에 의한 발전 등이 있습니다.

 

그러므로 이러한 외부유동을 잘 이해하는 것은 항공기, 자동차, 선박 및 모든 종류의 터빈과 같은 공학시스템의 설계에서

매우 중요합니다. 예로는 최신형 자동차는 이러한 공기역학에 특별히 주안점을 두고 설계과 되어 지고 있으며, 이를 통해

연료소비와 소음 감소, 조종면에서 개선이 이루어 지고 있습니다.

 

유체는 정지해 있는 물체 주위를 움직이고도 하며, 또는 정지해 있는 유체 속에서 물체가 움직이기도 합니다.

 

이 두 가지 완전히 달라 보이는 유동현상은 유체와 물체 사이의 상대운동 관점에서 보면 서로 동일 합니다.

 

이러한 운동은 물체에 좌표축을 고정시킴으로서 쉽게 해석이 가능하며, 이를 물체 주위 유동 혹은 외부 유동이라고 부릅니다.

 

비행기 날개 설계에서 공기여학 관련 연구는 실험실의 풍동 내부에 날개를 고정시키고 큰 팬을 이용하여 공기를 날개 주위로 흘려보내면서 수행될 수 있도록 합니다. 유동은 선택된 좌표축에 따라 정상 혹은 비정상으로 구분될 수 있습니다.

 

비행기 주위의 유동은 지상에서 보면 비정상이지만, 순항 중에 있는 비행기와 같이 움직이는 좌표에서는 정상입니다.

에어포일 주변에서의 항력과 양력 출처: McG 유체역학

어떤 물체가 유체, 특히 액체 속을 움직일때, 그 물체에는 어떤 저항이 작용하는 것을 경험을 통해 잘 알 수 있습니다.

 

물 속에서 걷기는 매우 힘이 드는데, 이는 공기의 경우에 비하여 작용하는 저항이 크기 때문입니다. 또한 강한 바람으로 나무나 송전선, 심지어는 대형 트럭 등이 넘어지는 것을 관찰하거나, 여러분 몸에 부는 바람이 미는 힘을 경험해 본 적이 있을 것입니다. 움직이는 차장 밖으로 손을 내밀었을 때도 같은 느낌을 경험할 수도 있습니다.

 

유체가 유동방향으로 물체에 가하는 힘을 항력이라고 하는데, 항력은 유동 내부에 위치한 물체에 용수철을 달고 유동방향으로 움직인 거리를 측정함으로서 직접 측정할 수도 있습니다. 

 

항력은 일반적으로 마찰과 같이 바람직하지 않은 효과이며, 따라서 이를 최소화하여야 한다. 항력의 저감은 자동차, 잠수함, 비행기 등이 연료소비 감소, 강한바람에 대한 구조물의 안전성과 내구성 향상, 소음과 진동 감소 등과 밀접한 관계가 있습니다. 그러나 어떤 항력은 매우 유용한 효과를 가져다주기도 하며, 이 경우 항력은 최대화되어야 합니다. 예로 말찰은 자동차의 브레이크에서 생명을 보장하는 장치이고도 합니다. 마찬가지로 항력은 낙하산의 사용, 꽃가루의 장거리 이동, 바다에서 즐기는 파도타기, 그리고 나엽의 느린 낙하 등을 가능케 합니다. 

 

정지해 있는 유체 속에 잠겨져 있는 물체의 표면에는 표면에 수직방향인 압력힘만이 작용합니다. 그러나 움직이는 유체의 물체 표면에는 점성영향에 의한 점착 조건 때문에 접선방향으로 전단력이 추가로 작용합니다. 항력이란 이러한 압력힘과 전단력이 합쳐진 힘의 유동방향의 성분이고, 유동방향에 수직인 성분을 양력이라고 부릅니다.

 

비행기가 나는 것은 양력에 의한 것이며, 익형 설계에 주요한 인자 중에 하나 입니다. 익형 설계에서 주된 관점은 아랫면에서의 평균압력을 최대로 하면서 윗면에서의 압력을 최소화하는데 있습니다.

고압과 저압의 영역을 구별하며 Bernoulli 식이 사용됩니다. 

 

이상 항력과 양력에 대한 토의를 마치도록 하겠습니다.