[일반물리개념]이상유체의 성질 (비압축성 유체 등)

 

Courtesy D.H. Peregrine, University of Bristol

이상 유체의 운동에 대해서 다뤄보겠습니다.

 

이상 유체를 다루기 위해선 이상 유체가 어떤 성질을 가지고 있는지에 대해서 알아야 합니다. 

현실에 존재하는 유체를 다루기엔 너무 어렵기 때문에(매우 복잡), 이상적인 유체를 생각할 수밖에 없습니다. 

 

우선 이상유체의 특징(흐름)에 대해 알아보겠습니다.

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1. 정상흐름(층흐름)

"정상 흐름(층 흐름)에선 유체 속 한 지점에서 속도의 방향과 크기가 시간에 따라 변하지 않는다."

유체를 이루는 입자들을 생각해봅시다.

시간에 따른 한 지점의 속도

시간이 지나면서 유체가 흐르고 있습니다. 이때 한 지점을 원으로 표현했습니다. 이 지점에서의 속도는 시간이 지나도 일정함을 알 수 있습니다. 즉 한 지점의 속도는 일정한 것입니다.

변하지 않고 정상적으로 흐른다라고 생각하면 됩니다.

 

2. 비압축성 흐름

"이상 유체는 비압축성이어서 밀도가 균일하고 일정한 값을 가진다."

기체를 생각해봅시다. 같은 입자수를 가진 기체가 담긴 용기 두 개가 있습니다.

여기서 오른쪽 용기를 압축할 수 있습니다. 압축한다면 입자수는 같지만 부피가 달라질 겁니다.

이럴 경우, 밀도가 달라졌다고 할 수 있습니다. 밀도는 질량을 부피로 나눈 것인데, 여기서 부피가 달라졌기 때문입니다.

이 기체는 압축이 가능하므로, 압축성 기체라 할 수 있습니다.

 

하지만 이상유체는 비압축성입니다. 위의 사례처럼 입자 사이의 거리를 좁혀 압축할 수 없다는 겁니다. 그러니 밀도가 변하지 않는 것입니다. 

 

비압축성 유체라고 가정한다면, 흐르는 과정에서 입자 간 간격이 일정하다는 것이고, 흐르면서 밀도가 변하지 않게 됩니다.

 

3. 비점성 흐름

"유체의 점성이란 유체의 흐름에 대한 저항의 척도이다."

이상 유체는 점성이 없습니다. 점성(끈적임)이 있다면, 유체 속에서 움직이는 물체가 저항을 받을 겁니다. 저항을 받으면 운동에너지가 줄고 열에너지가 생기죠. 

점성이 없다면 유체 속에서 움직이는 물체는 일정한 속력으로 움직이게 됩니다. 

유체 속 물체가 저항력을 받아 속력이 줄고 있음

 

4. 비회전 흐름

"이상 유체는 비회전 흐름을 한다"

 

이는 유체를 이루는 입자들 각각이 회전하지 않음을 의미합니다. 유체가 흐른다는 것은 유체를 이루는 입자들이 움직인다는 것인데, 이때 각각의 입자들이 회전하면서 움직이지 않는다는 겁니다.

알아보기 쉽게 빨간색으로 칠함

입자들이 회전하는 것까지 생각하려면 너무 머리가 아프기 때문에 생각하지 말죠