[Introduction] 유체의 개념

유체역학의 관점에서 볼 때 모든 물질은 유체와 고체 두 가지 상태로 되어있다. 이 두 가지 상태를 구분하는 방법은 여러가지 있지만, 접선응력(전단응력)에 대한 반응을 통해 공학적으로 구분할 수 있다. 고체는 정적 처짐으로 의해 전단응력에 저항할 수 있지만 유체는 그렇지 않다. 즉, 고체는 전단응력이 가해질 때 변형을 통해 저항하지만, 유체는 작용되는 전단응력이 아무리 작더라도 운동이 일어난다.

이 말은 정지하고 있는 유체는 전단응력이 0인 상태(유체정역학적 응력 조건)에 있다고 할 수 있다. 이를 위해서 정지 유체는 전단 응력을 없애기 위해서 지지벽을 필요로 한다 (비커에 담긴 물 등).  이 벽들이 압축응력을 발생시켜 유체의 전단응력을 0으로 만든다. 만약 이 벽들이 제거되면 유체 내에 전단응력이 발생하여 유체의 운동을 일으킨다.

 

단순히, 유체는 고체와 달리 전단응력에 저항하지 못하고, 전단응력이 있으면 움직인다 정도로만 이해하고 넘어가도 괜찮을 듯 하다.

 

대부분의 물질들이 고체, 액체, 기체 상태를 명백하게 정의될 수 있지만, 경계상의 물질들도 있다. 어떤 상태에서는 고체였다가, 물질이 외부 하중에 반응하여 변형되어 액체 성질을 띌 수 있다. 이런 물질에 대한 것은 유변학(rheology)에서 다뤄진다. 또한, 기포가 포함되어 있는 물같이 혼합물로서 공존할 수도 있다. 이런 물질에 대한 것은 다상유동(multiphase flows)에서 다뤄진다. 임계점(critical point) 이상의 온도와 압력에서는 물질의 밀도가 높아져서 기체와 유사했던 물질이 액체와 유사한 성질을 띄기도 한다.

이 부분들은 고려할 점이 많으므로, 내가 공부하고 있는 <White 유체역학> 책에서는 다루지 않는다고 한다. (당장은 고려하지 않아도 될 문제)

 

응력(Stress)

응력은 어떤 물체에 작용하는 외력 또는 압력에 의해 물체 내부에서 발생하는 내부력 또는 압력을 의미한다. 응력은 단위 면적당 힘의 크기로 나타낸다.

 

 

전단응력(Shear Stress)

물체의 어떤 단면에 평행한 방향으로 서로 반대 방향의 힘(전단력)을 작용시키면, 물체는 그 면을 따라서 미끄러져 전단(shear)된다. 직사각형은 아래 그림과 같이 평행사변형으로 전단된다. 이 힘과 같은 방향으로 위의 식에 따라 구한 것이 전단 응력이다. 보통 이 전단 응력은 τ(타우)로 표기한다. (압축 응력은 σ(시그마))

정적처짐(Static Deflection)

고체가 외부로부터 힘을 받았을 때 발생하는, 고체의 일시적 또는 영구적인 변형을 의미한다. 예를 들어, 아래 그림과 같이 보(beam)가 아래로 휘어지는 것이 있다.