유체역학

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유체역학 표면장력

Ch. 1 Introduction
작성자
kwonjunpyo
작성일
2020-07-22 05:08
조회
2529
안녕하세요 교수님!!

유체역학의 표면장력 부분을 듣고 있는데 몇가지 의문점이 생겨 질문 드립니다.

먼저 표면장력을 표시할때 왜 면이 아닌 겉 원주 부분만 힘이 작용하는건지 잘 이해가 안됩니다..

예를 들어서 반구에서 반구면이 아닌 원주 부분만 힘을 표시하는 것이 이해가 안됩니다.

(그냥 정의상 그런건가요? 소금쟁이의 예로 들었을때, 소금쟁이의 다리 전체를 지탱하고 있는게 아니고 다리의 겉선만 따라 지지 하고 있는건가요?)

두번째로 목욕탕 같은 반구 통에서 왜 L부분만 표면장력이 표시되고 2R부분에는 표면장력이 없는건지가 궁금합니다!

전체 1

  • 2020-07-22 05:33

    충분히 헷갈릴 수 있는 질문이라고 생각합니다.
    먼저 표면장력은 기본적으로 단위 길이당 작용하는 힘으로써 정의됩니다.
    그렇기 때문에 표면장력에 의한 힘을 계산할 때
    두 물체가 닿는 interface를 (면보다는) 선으로 간주합니다.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Surface_tension

    그렇다면 왜 표면장력이 [N/m]로써 정의되는지에 대해서 알아보셔야 합니다.
    단위가 [N/m]라는 것은 [Nm/m2] = [J/m2]와 같다는 것을 의미합니다.
    이 단위의 의미를 잘 생각해보면,
    표면장력이란 단위 면적당 필요한 에너지라는 것인데요.

    어떤 새로운 면적을 만들어내는 과정에서 필요한 에너지라고 생각해보면 표면장력의 개념과 매우 유사한 것을 아실 수 있습니다.
    (예를 들어 비눗방울의 표면적을 만들기 위해 필요한 에너지는 결국 표면장력과 관련된 물리적인 개념이니까요.)

    사실 표면장력을 제대로 이해하기 위해서는 Young's equation을 아셔야 하고, air/liquid interface에 관한 물리적인 이해가 필요합니다.

    표면장력을 이해하기 위해서 다시 비눗방울과 같은 예를 들어보도록 하겠습니다.

    공기 중에 있는 비눗방울(a spherical liquid droplet)을 생각해봅시다.
    이 비눗방울은 완벽한 구의 모양을 이루고 있는데,
    air/liquid interface만을 생각해본다면 이는 구가 아닌 원이라고 할 수 있습니다.

    표면장력은 air/liquid interface에서만 작용하는 힘이기 때문에
    구라는 면적보다는
    원이라는 interface, 즉 길이당 작용하는 힘이라는 것을 직관적으로 이해하실 수 있습니다.

    비눗방울을 점점 크게 만들다 보면 어느순간 터지게 되는데
    비눗방울이 커진다는 것은
    air/liquid interface인 원의 길이(=원주)가 점점 더 커진다는 것을 의미합니다.

    이는 결국 표면장력이 더욱 증가시키기 때문에
    더 이상 비눗방울이 견딜 수 있는 힘의 값을 넘어버린다는 것이라고 생각할 수 있죠.

    위의 내용을 잘 생각해보신다면, 소금쟁이에 관한 질문도 대답이 될 것입니다.
    소금쟁이가 표면장력에 의해서 뜨는 것은 맞지만,
    표면장력이 단위 길이당 힘이라고 해서 다리 주위에만 힘이 가해진다는 것이라기 보다는
    소금쟁이 다리와 물 사이의 interface가 길이로써 정의될 수 있다고 생각하실 수 있겠습니다.

    길쭉하게 그려진 반구 모양에 가해지는 표면장력에서
    2R부분에 표면장력이 없는 이유도
    interface로써 설명될 수 있습니다.

    2R 부분은 interface가 아니기 때문에 표면장력의 계산에서 제외되는 것입니다.

    저도 학부시절에 많이 고민했던 부분입니다.
    깊게 공부하시면서 표면장력에 대해 자세히 이해해보려는 노력은 매우 중요하다고 생각합니다.
    좋은 질문 주셔서 감사합니다.

    (사진 출처) https://physics.stackexchange.com/questions/485895/youngs-equation

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Fluid Mechanics, M. White, McGrawHill
Ch. 1 Introduction
Ch. 2 Pressure Distribution in a Fluid
Ch. 3 Integral Relations for a Control Volume
Ch. 4 Differential Relations for Fluid Flow
Ch. 5 Dimensional Analysis and Similarity
Ch. 6 Viscous Flow in Ducts
Ch. 7 Flow Past Immersed Bodies
Ch. 8 Potential Flow and Computational Fluid Dynamics
Ch. 9 Compressible Flow
Ch. 10 Open-Channel Flow
Ch. 11 Turbomachinery

  • “유체역학 한방에 끝내기” 는 초등학생도 이해할 수 있게끔 쉽고 재미있게 유체역학을 설명하고 있습니다.
  • 공식만 외워서 문제를 푸는 방식은 올바른 역학 공부법이 아니고, 조금만 응용된 문제가 나오면 접근하기가 매우 어려워져 좋은 시험 점수(좋은 학점)을 받기가 매우 어려워집니다.
  • 원리와 원칙에 충실하여 어떤 문제가 나와도 개념에 충실해서 풀 수 있어야 학업성취도, 취업 면접, 대학원 시험 등에서 좋은 결과를 기대할 수 있습니다.