유체의 특성

유체역학과 환경

체역학이란 정지하고 있거나 운동중이 액체나 기체의 임직임과관련된 응용또는 제조환경에서 일아는 현상과 매우 폭젋게 관련되어 있습니다. 직접적이든 간접적이든 생활 가운데서 유체와 관련되지 않은 것은 거의 없습니다.

 

유체의 특성

유체역학을 공부할때 접하게 되는 첫번째 질문중에 하나는 무엇이 유체인가 또는 고체와 유체의 차이점은 무엇인가입니다. 일반적으로는 그 차이점에 대해서 막연하게느 알고 있습니다. 고체는 단단하면서도 쉽게 변형 되지 않지만 유채는 부드럽고 쉽게 변형이 된다는 점에서 다릅니다. 이러한 고체와 유채의 차이점에 관한 일반적인 관찰결과가 상당히 자세하게 표현되기는 했지만 과학적이나 기술적인 면에서 보자면 만족스럽지 못합니다. 물질의 분자구조를 자세히 관찰한 결과에 따르면 고체라고 생각하는 물질은 그분자들이 촘촘히 붙어 있고 분자들 사이에 결합력이 커서 그 형태를 유지하며 쉽게 변형 되지 않습니다. 그러나 액체적인 물질은 분자 사이의 간격이 넓고 결합력도 작아서 분자들은 더 자유롭게 움직입니다. 그리하여. 액체는 쉽게 변형될 수 있고 그릇에 붓는다던가 관속을 흐르게 할 수 있습니다.

 

기체의 특성

기체는 액체보다도 분자간 간격이 더 크고 더 자유롭게 움직일 수 있으며 분자 사이의 결합력이 무시할 수 있을만큼 작기 때문에 쉽게 변형 되며 어떤 용기가 어떻던지 간에 그 공간을 채우는 게 가능합니다. 액체와 기체는 두 가지 다 유체입니다.

 

고체와 유체의 차이점 

고체와 유체의 차이점은 분자 구조와 서로 다르다는 것만으로도 설명을 할 수 있지만 외부로부터 부화가 더해 질때 어떻게 변화 하는가에 의하면 좀더 명확하게 구분할 수 있습니다. 더 정확히 말해서 유체란 크기와 무관하게 적단응력이 작용 하면 연속적으로 변형 되는 물질이라 정의됩니다. 전단 응력이란 여백의 그림에서 보는 것 처럼 물체의 표면의 접선 방향의 힘을 받을 때 생깁니다. 강철이나 그 밖의 금속들과 같은 보편적인 고체는 전단응력을 받을 때 처음에는 변형이 일어나지만 변형이 지속되지는 않습니다 

 

유체역학과 유동학

물이나 기름 공기와 같은 보편적인 고체는 유체의 정의에 부합합니다.  즉 전단응력을 받으면 흐릅니다 슬러리나 타르, 퍼티 치약과 같은 몇가지 물질들은 전단 응력이 작을 때는 고체가 보이는 성질을 보이지만 얼마 이상의 전단응력을 받게 되면 유동현상이 일어나게 되어 고체와 유체로 쉽게 구분하기 어렵습니다. 이런 물질들에 대한 학문을 유동학이라고 하고 이는 유체역학의 범주는 아닙니다. 그러므로 여기서는 앞에서 정의한 바 처럼 유체의 정의에 맞는 유채들만 언급하기로 합니다. 

 

유체 분자구조

유체의 분자구조는 어떤 유채를 다른 유체와 구별되게 하는 중요한 의미가 있기는 하지만 정지해 있거나 유동중인 유체성질을 연구할 때 분자 각각을 일일이 분석하는것은 아직은 실용적이지 않습니다. 

 

그보다는 운동의 특성을 매우 많은 분자를 포함하고 있는 작은 체적내에서 산출된 의미있는 양에 대한 평균적인 속도 또는 거시적인 관점에서 고려 하기로 합니다. 따라서 유체내의 어떤 점에서의 속도라고 하는것은 그 점을 둘러싼 작은 최적 안에 포함된 분자들의 평균속도를 말하는것이 됩니다. 이때 그 최적의 특성짓는 거리는 관심을 두고자 하는 계의 물리적인 길이에 비해서는 매우 작지만 분자들 사이의 평균 거리는 비에서는 매우 큽니다.

 

과연 이러한 방법이 유체 특성을 표현하기에 적합한 방법일까는 생각할 부분입니다. 대부분은 분자 사이의 거리가 매우 작아서 그 대답은 일반적으로는 맞는다고 볼 수 있습니다. 상온 상압인 기체는 분자간의 평균 거리가 약 〖10〗^(-8)mm정도이고 액체는 대략  〖10〗^(-7)mm 정도입니다. 세제곱 밀리미터 단 기체는 18승계, 액체는 10의 21승계 가량의 분자가 들어 있습니다. 엄청 작은 부피 속에서도 매우 큰 숫자의 분자들이 들어 있으므로 평균 값을 취하는것은 적절한 방법이라 할 수 있습니다. 그러므로 유체의 중요한 특성은 유체내에서 지속적으로 변한다고 여겨집니다. 따라서 유체는

연속체로 생각할 수 있는 것입니다. 이러한 개념은 이 책에서 다루 게 될 모든 경우에 적용됩니다. 연속체 개념을 적용할 수 없는 유체 역학의 분야로는 고도가 매우 높은 대기층과 같이 공기가 희박한 부분에 대한 연구 분야를 생각할 수 있습니다. 이 경우 공기 분자간의 서로의 거리는 매우 커서 연속체 개념은 적용이 불가능 합니다.