항력

3. 항력의 종류

항력은 다양한 기준으로 분류할 수 있다.

일반적으로 항력은 다음과 같이 분류된다.

• 형상 항력 또는 압력 항력: 물체의 크기와 형태로 인해 발생한다.
• 표면 마찰 항력 또는 점성 항력: 유체와 표면 사이의 마찰로 인해 발생한다. 이 표면은 물체의 외부일 수도 있고, 파이프 내부와 같이 내부일 수도 있다.

3. 1. 물리적 요인에 따른 분류

3. 2. 힘의 방향에 따른 분류

• 마찰 항력 (Friction drag): 물체 표면을 따라 작용하는 힘에 기인하는 항력으로, 점성 저항이라고도 한다. 이는 유체가 물체 표면과 마찰하면서 발생하며, 점성이 클수록 마찰 항력도 커진다.^[31] 예를 들어, 반지름 $a$의 구가 점성 계수 $\backslash eta$의 유체 속에서 받는 점성 저항은 스토크스의 법칙에 따라 다음 식으로 나타낼 수 있다.

• 압력 항력 (Pressure drag): 물체 표면에 수직으로 작용하는 힘에 기인하는 항력으로, 관성 저항이라고도 한다.^[31] 물체가 유체 속을 움직일 때 물체 앞뒤에 압력 차이가 발생하여 생기는 저항이다. 예를 들어, 반지름 $a$의 구가 밀도 $\backslash rho\_\backslash mathrm\{0\}$의 유체 속에서 받는 관성 저항은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

와 같이 판을 평행하게 놓으면 압력 항력은 거의 없고, 표면 마찰 항력이 거의 대부분이다. 반대로 와 같이 판을 수직으로 놓으면 표면 마찰 항력은 거의 없고, 압력 항력이 거의 대부분이다.

4. 항력의 예시 및 응용

자동차, 항공기 및 선체와 같이 고체 물체의 이동 방향과 반대 방향으로 작용하는 힘이 항력이다. 관내 유체의 점성 항력은 고정된 관에 대한 유체 속도를 감소시킨다.^[4][5] 스포츠 물리학에서 항력은 공, 창, 화살, 프리스비의 움직임과 주자 및 수영선수의 성능을 설명하는 데 필요하다.^[6] 최고의 단거리 선수의 경우, 항력을 극복하는 데 에너지 소비량의 5%가 필요할 수 있다.^[7]

5. 항공역학에서의 항력

항공역학에서 '''항력'''(aerodynamic drag)은 공기 저항(air resistance)이라고도 하며, 항공기의 성능에 큰 영향을 미친다. 항력은 공기의 자유흐름 방향으로 움직이는 모든 고체에 작용하는 유체 저항력이다.^[23]

항력은 물체의 관점에서는 물체 표면의 압력 분포로 인한 힘($D\_\{pr\}$)과 점성으로 인한 마찰력($D\_\{f\}$)으로 계산할 수 있다. 유동장 관점에서는 충격파, 와류층, 그리고 점성이라는 세 가지 자연 현상으로 인해 발생한다.

항공기가 양력을 발생시키면 유도항력($D\_i$)이 발생한다. 유도 항력은 양력 발생과 함께 발생하는 후류 와류계에 의한 압력 분포 변화로 인해 발생한다. 파형 항력($D\_w$)는 천음속 및 초음속 비행 속도에서 충격파로 인해 발생하며, 경계층과 기체 표면의 압력 분포를 변화시킨다.

항력은 다음과 같이 세 가지로 분류할 수 있다.^[24]

# 압력 항력과 마찰 항력

# 형상 항력과 유도 항력

# 와류 항력, 파형 항력 및 후류 항력

물체 표면에 작용하는 압력 분포는 물체에 수직 항력을 작용시키고, 이러한 힘들을 합치면 하류 방향으로 작용하는 힘의 성분인 $D\_\{pr\}$이 발생한다. 이 수직 항력은 충격파 효과, 와류계 생성 효과 및 후류 점성 메커니즘을 결합한 것이다.

유체의 점성은 항력에 큰 영향을 미친다. 점성이 없다면, 차량을 방해하는 압력은 더 뒤쪽에서 차량을 앞으로 밀어주는 압력에 의해 상쇄되어 항력은 0이 된다. 그러나 점성은 압력 항력을 발생시키며, 이는 박리 유동 영역이 있는 차량의 경우 항력의 주요 구성 요소이다.

항공기 표면에 작용하는 접선 방향의 힘인 마찰 항력은 경계층 구성과 점성에 크게 의존한다. 순 마찰 항력 $D\_f$는 물체 표면에서 평가된 점성력의 하류 투영으로 계산된다. 마찰 항력과 압력(형상) 항력의 합을 점성 항력이라고 한다.

양력 발생 시 유도 항력이 발생하며, 항공기 속도가 증가함에 따라 기생 항력과 조파 항력이 중요해진다. 최소 항력 속도에서 항공기는 최적의 효율을 나타내며, 조종사는 이 속도를 활용하여 항속거리를 극대화할 수 있다.

양력에 의한 항력은 날개나 양력체가 있을 때 나타나며, 파형 항력은 충격파의 존재로 인해 발생한다. 조파 저항은 고체 물체가 유체 경계를 따라 움직이고 해양 표면파를 만들 때 발생한다.

유도항력은 주로 후류 와류 생성으로 인한 와류 항력과 양력이 0일 때는 존재하지 않는 양력 유도 점성 항력으로 구성된다.

'''유해항력'''(parasitic drag)은 고체 물체가 유체를 통과할 때 발생하는 항력으로, 점성압력항력(형상항력), 표면 거칠기로 인한 항력(표면마찰항력)을 포함한다.

항공 분야에서, 유도항력은 저속에서 더 크지만, 속도가 증가함에 따라 감소한다. 그러나 유해항력은 속도가 증가함에 따라 증가한다. 더 높은 속도(천음속)에서는 파동항력이 발생한다. 따라서 결합된 전체 항력 곡선은 특정 대기 속도에서 최소값을 나타내며, 이 속도로 비행하는 항공기는 최적 효율에 가깝다.

5. 1. 역사

6. 추가 정보

• '''달랑베르의 역설'''

참조

_[1] 웹사이트 Definition of DRAG http://www.merriam-w[...] 2023-05-07
_[2] 서적 French (1970), p. 211, Eq. 7-20
_[3] 웹사이트 What is Drag? http://www.grc.nasa.[...] 2011-10-16
_[4] 웹사이트 Calculating Viscous Flow: Velocity Profiles in Rivers and Pipes http://galileo.phys.[...] 2011-10-16
_[5] 웹사이트 Viscous Drag Forces http://www.ce.utexas[...] 2011-10-16
_[6] 논문 On the performance of Usain Bolt in the 100 m sprint https://www.research[...] 2016-04-23
_[7] 논문 The air-resistance to a runner The Royal Society
_[8] 서적 Encyclopedia of Automotive Engineering
_[9] 서적 Fundamentals of Flight, Second Edition
_[10] 서적 A Case Study By Aerospatiale And British Aerospace On The Concorde
_[11] 서적 Design For Air Combat
_[12] 문서 Earth's atmosphere, air density and barometric formula
_[13] 논문 Analysis of triangular sharkskin profiles according to second law http://www.iieta.org[...]
_[14] 웹사이트 Size effects on drag https://www1.grc.nas[...]
_[15] 웹사이트 Wing geometry definitions https://www1.grc.nas[...]
_[16] 논문 Experiments on the flow past a circular cylinder at very high Reynolds number https://authors.libr[...]
_[17] 서적 Batchelor (1967), p. 341.
_[18] 웹사이트 Part 6: Speed and Horsepower http://phors.locost7[...] 2016-05-18
_[19] 웹사이트 On Being the Right Size http://irl.cs.ucla.e[...]
_[20] 웹사이트 Air friction http://hyperphysics.[...]
_[21] 서적 Particle Mechanics Butterworth-Heinemann
_[22] 웹사이트 Drag coefficient (friction and pressure drag) https://www.tec-scie[...] 2020-06-25
_[23] 서적 Introduction to Flight
_[24] doctoral Influence of Attachment Line Flow on Form Drag https://openaccess.c[...] 2022-03-22
_[25] 간행물 Flight https://archive.org/[...]
_[26] 서적 A History of Aerodynamics: And Its Impact On Flying Machines University of Cambridge
_[27] 웹사이트 University of Cambridge Engineering Department http://www-g.eng.cam[...] 2014-01-28
_[28] 서적 Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. Bennett Melvill Jones. 28 January 1887 -- 31 October 1975 The Royal Society 1977-11
_[29] 서적 Oxford Dictionary of National Biography
_[30] 서적 Batchelor (2000), pp. 337–343.
_[31] 서적 生物から学ぶ流体力学 養賢堂
_[32] 서적 風車工学入門 森北出版
_[33] 서적 流体力学 朝倉書店
_[34] 서적 Fundamentals of Aerodynamics, 3rd International ed. McGraw-Hill
_[35] 웹사이트 한국물리학회 물리학용어집 https://www.kps.or.k[...]