유체의 성질 쉽게 설명해보기 표면장력 밀도 이상유체(토목기사,수리수문학 part 1)

수리수문학의 첫 파트에 나오는것이 바로 유체인데, 이들은 여러가지 성질을 가지고있습니다. 롤로따지면 메가나르는 항상 화가 나 있고  궁으로 적을 벽에다가 꼴아박아서 기절을 시킨다던지하는 성질을 가지고있듯이,유체들은  밀도,표면장력,모세관현상,점성등을 갖는 등의 성질을 가지고있는데, 이를 하나하나 뜯어보는 시간을 갖겠습니다.

 

유체의 성질

 

1.밀도 : 단위체적이 갖는 유체의 질량.비질량이라고도하다.

 

->ㅁㅊ놈들이 비질량이라고하는 한자를 써서 수험생을 초장부터 몹시 헤깔리게한다.

비자가 '아닐비' 자로 순간적으로 떠오르기때문에 우리들입장에서는 분명 질량이라고했는데 비질량이면 질량이 아니라는뜻인가?이개 뭔 쌉소리인가라고 생각이 들텐데,비는 아닐비자가아닌 견줄비(대비할비)자이다.영어로는 Specific mass라하여 해석하면 특정한(예를들어 1g당) 유체라는 뜻이다.그러므로 우리는 비질량이라는 말을 다르게 해석해야하는데 , 단위부피당 유체의 질량으로 해석해야한다.

 

이해를 돕기위해서 우리는 우유곽에 시멘트를 넣어볼 것이다.

 

예를들어 우유꽉 1리터에 물을 1리터 넣으면 약 1kg의 무게가 나갈것입니다.

하지만 갑자기 우유꽉 1리터에 시멘트를 쳐넣는다고 상상을한다면,우유곽의 무게는 약 3.14kg이 될 것입니다.시멘트는 대충 3.14g/cm3이기때문에 똑같은 양을 넣어도 우유꽉이 더 무거워지죠.

이렇듯 밀도가 어떠냐에따라 동일한 부피임에도 질량이 달라질 수 있다는 것을 알 수 있습니다.

 

2.이상유체(완전유체) : 점섬이 없고 밀도가 일정하다고 가정하는 유체.

 

->사실 완전유체따위는 없습니다.어떻게 유체에 점성이 없겠습니까

하지만 우리는 수험생입니더.유체에 점성이 있는상태에서 문제를 풀게되면 문제풀이가 너무 지저분하게 되고 빡이쳐서 수험서를 던지는 사태를 야기할 수 있습니다.

그래서 학자들은 유체에 점성이 없다고 가정을하고 문제를 던져주어 스트레스를 줄여주고 해당현상을 이해하는데 도움을 주는겁니다.

또한 어떠한경우에는 점성이 없다고 가정해도 대충 값이 비슷하게 나오는 경우가있는데,이 같은경우에 유체를 완전유체로 가정하기도합니다.

예를들어 우리가 평소에 들이마시는 공기에 역시 점성이있습니다.

하지만 공기의 점성은 거의 없기도하여 이를 무시하고 공기중에 어떤 물체가 이동할 때 공기를 이상유체로 가정하여 접선변형력이라는 힘을 0으로 두고 계산해도 얼추 값을 비슷하게 뽑을 수 있습니다.

 

물론 점성이 너무 강해서 무시할 수 없을때는 유체를 완전유체로 가정하면 안 되지만,그건 우리가 훗날 연구소에서 일할때 생각해도 늦지않습니다.

 

유체들을 완전유체로 가정해야 우리의 인생살이가 한결 편해진다.

 

3.실제유체(점성유체) : 실제유체

 

-> 유체와 유체사이에 점성이 강하여 이를 차마 무시하기 힘든경우에는 이상유체 이론을 쓰면 안됩니다.보통 a유체와 b유체의 경계면에서는 전단응력이 발생하게되는데,

전단응력을 설명하기 전에 응력이란것을 먼저 설명해야하겠슴더.

응력은 어떤 힘을 가할때 변형된 물체 내부에 발생하는 단위면적당 힘을 의미합니다.

내가 수험스트레스때문에 벽을 주먹으로 갈긴다고생각했을 때 벽은 내부에서 힘이 발생하게됩니다.(물론 작용반작용으로인해서 내 주먹역시 몹시 아픕니다.)유체와 유체가 맞닿을때 접하는 경계에서 발생하는 응력을 전단응력이라고하는데,

예를들어 수험서를 파괴하고싶어서 책 표지에 손을 올려놓고 위로 힘을 작용하면,책표지가 위로 밀리면서 평행사변형이 되다가 찢어지는데 이것은 전단응력의 예입니다.가위역시 칼과 칼 사이에 물체에 힘을가하여 자르는 것으로 전단응력을 이용한 도구입니다.

 

잡소리가 길었는데,실제유체는 점성이있어서 유체와 유체사이에 경계면에서 전단응력이 작용하게 된다는 것을 길게도 말해보았습니다.

 

4.표면장력 : 액체와 기체가 맞닿는 경계면에서 작용하는 분자 인력에 의한 힘.

 

->물컵에 물이 가득차있다고 가정하면,물컵안에 물분자와 물분자사이의 힘과 물수면위에있는 물분자와 공기사이의 힘은 당연히 다르게됩니다.

 

 

물컵 안에 물분자를보면 서로 힘을 주고받아 평행한 상태인데반해서,

물 표면에 있는 물분자는 밑에와달리 단순히 표현하면 물분자 3개만큼 힘을 덜 받고있습니다.

그러면 힘의 평형은 깨지게되면서 더 많은 에너지를 응축하고 있다고 생각하면되는데,이게 물의 표면장력입니다.그러니까 물중앙보다 물표면에서의 에너지가 무조건크게 됩니다.

 

또한 물은 표면을 최소하하는 방향으로 힘이 작용하는데,이게 뭔 개소리인지 좀 생각해봤는데 고심끝에 다음과같은 이해를 하게되었습니다.

 

물분자와  물분자 사이의 거리가 1+1 = 2가 되야하는데

 

아무튼 표면장력에 의해서 물분자의 표면은 최소화하려는 성질에의해서 원형으로 변하였을때 이동경로가 훨씬 단축되게됩니다. 이동할때 1+1=2보다 원형인 1.57길이를 이동하는게 더 이득이므로 물분자는 둥그스럼한 물방울 모양으로 변하게됩니다.

 

우리가 과학자도 아니고 그냥 이정도만 이해해보면

1.표면장력은 물 안쪽의 물분자보다 에너지가크다.

2.표면장력은 표면을 최소화하려는 성질이있다.

정도로 이해하면 되겠습니다.