유체역학
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1. 개요
유체역학은 고대 농경 사회부터 시작되어, 물의 흐름과 관련된 현상을 연구하는 학문이다. 아르키메데스는 부력에 대한 연구를 통해 유체역학의 기초를 다졌으며, 이후 레오나르도 다 빈치, 아이작 뉴턴 등 여러 과학자들의 연구를 통해 발전했다. 유체역학은 유체 정역학, 유체 동역학 등 여러 하위 분야로 나뉘며, 나비에-스토크스 방정식과 같은 주요 개념과 법칙을 통해 유체의 움직임을 설명한다. 뉴턴 유체와 비뉴턴 유체로 구분되며, 다양한 공학 및 이학 분야에 광범위하게 응용된다.
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유체역학 | |
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개요 | |
정의 | 유체(액체, 기체, 플라스마)의 운동 및 역학적 성질을 다루는 물리학의 한 분야 |
관련 분야 | 연속체 역학 |
하위 분야 | |
유체 정역학 | 정지해 있는 유체의 역학적 성질 연구 |
유체 동역학 | 움직이는 유체의 역학적 성질 연구 |
주요 개념 | |
점성 | 유체의 흐름에 대한 저항 |
표면 장력 | 액체 표면이 수축하려는 힘 |
압력 | 단위 면적당 작용하는 힘 |
밀도 | 단위 부피당 질량 |
기본 방정식 | |
나비에-스토크스 방정식 | 점성 유체의 운동을 기술하는 비선형 편미분 방정식 |
오일러 방정식 | 비점성 유체의 운동을 기술하는 방정식 |
베르누이 방정식 | 유체의 속도, 압력, 높이 사이의 관계를 나타내는 방정식 |
연속 방정식 | 질량 보존 법칙을 나타내는 방정식 |
응용 분야 | |
항공 역학 | 항공기의 공기역학적 특성 연구 |
수력학 | 물의 흐름 및 역학적 성질 연구 |
기상학 | 대기의 운동 및 기상 현상 연구 |
화학공학 | 유체의 혼합, 반응, 분리 등 공정 설계 및 제어 |
생체역학 | 혈액 순환, 호흡 등 생체 내 유체 흐름 연구 |
전산 유체 역학 | 컴퓨터를 이용하여 유체 흐름을 시뮬레이션하는 기술 |
관련 학문 | |
수학 | 유체 역학 모델링 및 해석에 필요한 수학적 도구 제공 |
물리학 | 유체 역학의 기본 원리 및 현상 설명 |
공학 | 유체 역학 원리를 응용한 다양한 시스템 설계 및 개발 |
기타 | |
관련 인물 | 아이작 뉴턴 다니엘 베르누이 레온하르트 오일러 클로드루이 나비에 조지 가브리엘 스토크스 |
2. 역사
유체역학은 고대 농경사회부터 인간이 폭우와 홍수에 대비하면서 시작되었다. 고대인들은 물의 흐름과 마찰에 대한 피상적인 부분인 수력학에 관심을 가졌다. 이후 많은 과학자들의 이론과 실험을 통해 현대 유체역학으로 발전했다.
고대 그리스의 아르키메데스는 아르키메데스 원리를 공식화했고, 이란 학자 아부 레이한 비루니와 알-하자니는 실험적 과학적 방법을 유체역학에 적용했다.[2] 레오나르도 다 빈치, 에반젤리스타 토리첼리, 아이작 뉴턴, 블레즈 파스칼 등에 의해 급속히 발전했으며, 다니엘 베르누이는 ''Hydrodynamica''(1739)에서 수학적 유체역학을 도입했다.
17세기 후반에는 보일 등이 보일의 법칙(보일-마리오트의 법칙)을 발견했다.[33] 유체 동역학은 아이작 뉴턴의 『자연철학의 수학적 원리』를 바탕으로 뉴턴 역학을 유체에 적용하면서 시작되었으며, 18세기에는 다니엘 베르누이, 레온하르트 오일러, 조제프루이 라그랑주 등에 의해 점성이 없는 유체(=완전 유체)의 운동이 연구되었다.
19세기에는 앙리 나비에, 조지 가브리엘 스토크스 등에 의해 점성 유체에 대한 연구가 이루어졌고(나비에-스토크스 방정식[34][35][36][37]), 오즈번 레이놀즈는 난류에 대한 연구를 진행했다.[33]
2. 1. 고대
유체역학은 고대 농경사회부터 시작되었다. 고대인들은 폭우와 홍수에 대비하기 위해 벽돌을 쌓고, 운하, 저수지, 하수도 등을 건설하면서 물의 흐름과 마찰에 대한 피상적인 부분인 수력학에 관심을 가졌다. 고대 그리스 시대 아르키메데스는 유체 정역학과 부력을 연구하여 아르키메데스 원리를 공식화했는데, 이는 그의 저서 ''부체에 관하여''에 발표되었으며 유체역학에 관한 최초의 주요 저작으로 여겨진다. 이란 학자 아부 레이한 비루니와 알-하자니는 실험적 과학적 방법을 유체역학에 적용했다.[2]2. 2. 중세 및 근대
유체역학 연구는 적어도 고대 그리스 시대로 거슬러 올라가는데, 당시 아르키메데스는 유체 정역학과 부력을 연구하여 현재 아르키메데스 원리로 알려진 그의 유명한 법칙을 공식화했다. 이는 그의 저서 ''부체에 관하여''에 발표되었으며, 일반적으로 유체역학에 관한 최초의 주요 저작으로 여겨진다. 이란 학자 아부 레이한 비루니와 후대 알-하자니는 실험적 과학적 방법을 유체역학에 적용했다.[2]유체역학의 급속한 발전은 레오나르도 다 빈치(관찰 및 실험), 에반젤리스타 토리첼리(기압계 발명), 아이작 뉴턴(점성 연구) 및 블레즈 파스칼(유체정역학 연구, 파스칼의 법칙 공식화)과 함께 시작되었으며, 다니엘 베르누이가 ''Hydrodynamica''(1739)에서 수학적 유체역학을 도입하면서 이어졌다.
1653년 블레즈 파스칼이 파스칼의 원리를 발견했고, 17세기 후반에는 보일 등이 보일의 법칙(보일-마리오트의 법칙)을 발견했다.[33] 유체 동역학은 정역학보다 늦게 등장했다. 이 분야는 아이작 뉴턴의 『자연철학의 수학적 원리』가 간행된 후 점차 확산된 뉴턴 역학을 유체에 적용하여 그 운동을 논하는 형태로 시작되었으며, 18세기 단계에서는 다니엘 베르누이, 레온하르트 오일러, 조제프루이 라그랑주 등에 의해, 우선 점성이 없는 유체(=완전 유체)의 운동이 연구되었다.
비점성 흐름은 장 르 롱 달랑베르, 조제프루이 라그랑주, 피에르시몽 라플라스, 시메옹 드니 푸아송 등 다양한 수학자들이 더욱 분석했고, 점성 흐름은 장 레오나르 마리 푸아죄유와 고트힐프 하겐을 포함한 수많은 엔지니어들이 탐구했다. 클로드루이 나비에와 조지 가브리엘 스토크스는 나비에-스토크스 방정식을 통해 추가적인 수학적 정당성을 제공했으며,[34][35][36][37] 경계층은 루트비히 프란틀, 테오도어 폰 카르만에 의해 연구되었다. 오스본 레이놀즈, 안드레이 콜모고로프, 제프리 잉그램 테일러와 같은 다양한 과학자들은 유체 점성과 난류에 대한 이해를 발전시켰다.
2. 3. 18세기-19세기
유체역학 연구는 적어도 고대 그리스 시대로 거슬러 올라가는데, 당시 아르키메데스는 유체 정역학과 부력을 연구하여 현재 아르키메데스 원리로 알려진 그의 유명한 법칙을 공식화했다. 이란 학자 아부 레이한 비루니와 후대 알-하자니는 실험적 과학적 방법을 유체역학에 적용했다.[2] 유체역학의 급속한 발전은 레오나르도 다 빈치(관찰 및 실험), 에반젤리스타 토리첼리(기압계 발명), 아이작 뉴턴(점성 연구) 및 블레즈 파스칼(유체정역학 연구, 파스칼의 법칙 공식화)과 함께 시작되었으며, 다니엘 베르누이가 ''Hydrodynamica''(1739)에서 수학적 유체역학을 도입하면서 이어졌다.18세기 단계에서는 다니엘 베르누이, 레온하르트 오일러, 조제프루이 라그랑주 등에 의해 우선 점성이 없는 유체(=완전 유체)의 운동이 연구되었다. 비점성 흐름은 장 르 롱 달랑베르, 조제프루이 라그랑주, 피에르시몽 라플라스, 시메옹 드니 푸아송 등 다양한 수학자들에 의해 더욱 분석되었다.
점성 유체에 대해서는 19세기에 앙리 나비에, 조지 가브리엘 스토크스 등에 의해 연구가 이루어졌다(나비에-스토크스 방정식[34][35][36][37]). 점성 흐름은 장 레오나르 마리 푸아죄유와 고트힐프 하겐을 포함한 수많은 엔지니어들에 의해 탐구되었다. 클로드루이 나비에와 조지 가브리엘 스토크스는 나비에-스토크스 방정식을 통해 추가적인 수학적 정당성을 제공했으며, 경계층은 루트비히 프란틀, 테오도어 폰 카르만에 의해 연구되었다.
더욱 복잡한 난류에 대해서는 오즈번 레이놀즈에 의해 19세기 말에 연구가 진행되었다.[33] 오스본 레이놀즈, 안드레이 콜모고로프, 제프리 잉그램 테일러와 같은 다양한 과학자들은 유체 점성과 난류에 대한 이해를 발전시켰다.
2. 4. 20세기 이후
장 르 롱 달랑베르, 조제프루이 라그랑주, 피에르시몽 라플라스, 시메옹 드니 푸아송 등 다양한 수학자들이 비점성 흐름을 더욱 분석했고, 장 레오나르 마리 푸아죄유와 고트힐프 하겐을 포함한 수많은 엔지니어들이 점성 흐름을 탐구했다.[2] 클로드루이 나비에와 조지 가브리엘 스토크스는 나비에-스토크스 방정식을 통해 추가적인 수학적 정당성을 제공했으며,[34][35][36][37] 경계층은 루트비히 프란틀, 테오도어 폰 카르만에 의해 연구되었다.[2] 오스본 레이놀즈, 안드레이 콜모고로프, 제프리 잉그램 테일러와 같은 다양한 과학자들은 유체 점성과 난류에 대한 이해를 발전시켰다.[2]3. 주요 분과
유체 정역학과 유체 동역학은 유체역학의 주요 두 분야이다. 유체 정역학은 정지 상태의 유체를, 유체 동역학은 운동 상태의 유체를 다룬다.[24]
공학 분야에서는 물을 대상으로 하는 수리학(수리학[25][26])과 공기를 대상으로 하는 공기역학[27][28][29][30]으로 나누어 다루기도 한다.
유체역학은 전기적으로 중성이며 전리되지 않은 유체만을 다루며, 일부 또는 전부가 전리된 유체는 플라즈마 물리학[31][32]이나 자기유체역학에서 다룬다. 다만, 자기장이 없는 경우의 레일리-테일러 불안정성 등, 본질적으로 유체와 다름없는 부분도 존재한다.
3. 1. 유체 정역학
'''정수역학'''이라고도 하는 유체 정역학은 정지해 있는 유체를 연구하는 유체 역학의 한 분야이다. 이는 유체가 안정적인 평형 상태에 있는 조건을 연구하며, 유체의 운동을 연구하는 유체 동역학과는 대조된다. 정수역학은 대기압이 고도에 따라 변하는 이유, 나무와 기름이 물에 뜨는 이유, 그리고 물의 표면이 용기의 모양에 관계없이 항상 수평을 유지하는 이유 등 일상생활의 많은 현상에 대한 물리적 설명을 제공한다. 정수역학은 유압의 기초이며, 이는 유체를 저장, 운송 및 사용하기 위한 장비의 공학이다. 또한 지구물리학 및 천체물리학의 일부 측면(예: 판 구조론 및 지구 중력장의 이상 현상 이해), 기상학, 의학 (혈압과 관련하여) 및 기타 여러 분야와 관련이 있다.[24]3. 2. 유체 동역학
'''유체역학'''은 유체 역학의 하위 분야로, 움직이는 액체와 기체, 즉 '유동'에 대한 과학을 다룬다.[3] 유체역학은 유량 측정에서 파생된 경험적 및 반경험적 법칙을 포함하여 실용적인 문제를 해결하는 데 사용되는 체계적인 구조를 제공한다. 유체역학 문제의 해는 일반적으로 공간과 시간의 함수로, 속도, 압력, 밀도, 온도와 같은 유체의 다양한 특성을 계산하는 것을 포함한다.유체역학은 항공역학(공기 및 기타 기체의 운동에 대한 연구)과 수력학(액체의 운동에 대한 연구) 등 여러 하위 분야를 가지고 있다. 항공기에 작용하는 힘과 운동 계산, 파이프라인을 통한 석유의 질량 유량 결정, 변화하는 날씨 패턴 예측, 성간 공간의 성운 이해, 폭발 모델링 등 광범위한 응용 분야를 가지고 있으며, 일부 유체역학적 원리는 교통 공학 및 군중 역학에도 사용된다.
유체역학은 연속체 역학의 일부로 간주되며, 정지 상태를 다루는 유체 정역학과 운동 상태를 다루는 유체 동역학으로 나뉜다.[24] 공학 분야에서는 물을 대상으로 하는 수리학(수리학[25][26])과 공기를 대상으로 하는 공기역학으로 나누어 다루기도 한다.
또한, 유체역학에서는 전기적으로 중성이며 전리되지 않은 유체만을 다루며, 일부 또는 전부가 전리된 유체는 플라즈마 물리학[31][32]이나 자기유체역학에서 다룬다. 다만, 자기장이 없는 경우의 레일리-테일러 불안정성 등, 본질적으로 유체와 다름없는 부분도 존재한다.
3. 2. 1. 수력학
유체역학은 고대 농경사회부터 인간이 폭우와 홍수에 대비하기 위해 벽돌을 쌓아 보기도 하고, 운하나 저수지, 하수도 등을 건설하기도 하면서 시작되었다. 고대인들이 관심을 가졌던 것은 단지 물의 흐름과 마찰에 대한 피상적인 부분에 해당하는 수력학이었다.3. 2. 2. 공기역학
항공역학[4][5][6][7]은 공기 및 기타 기체의 운동에 대한 연구이다. 공학 분야에서는 공기를 대상으로 하는 공기역학[27][28][29][30]이라는 분야로 나누어 다루는 경우가 있다.4. 연속체 역학과의 관계
연속 물질에 대한 물리학 연구
고정된 형상을 가진 연속체인 고체에 대한 물리적 현상을 연구하는 학문
물체에 가해진 변형력이 사라졌을 때 물체가 원래의 모양으로 복구되고자 하는 성질
물체에 충분히 큰 힘이 가해졌을 때 물체의 모양이 영구적으로 바뀌는 성질
점탄성(visco-elasticity)을 가진 물질도 있다. 점탄성은 점성(viscosity)과 탄성(elasticity)이 복합된 성질이다. 이러한 경우에는 고체역학과 유체역학 사이의 구분이 모호해진다.
유체의 물리적 성질을 다룬다. 유체의 중요한 성질 중 하나는 점성으로서, 유체에 속도의 공간에 대한 기울기(속도벡터의 gradient)가 있을 때 그에 대해 유체 내에 생성되는 힘이다.
적용된 전단 응력에 비례하는 변형률을 겪지 않는다.