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공기의 흐름 변화를 알아볼까?
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  • 유체의 운동

    유체란 공기나 물과 같이 흐르는 성질이 있고, 연속적으로 변형이 일어나는 기체나 액체를 말한다. 유체역학은 물이나 공기의 운동을 다루는 물리학의 한 분야로서, 오늘날 선박이나 항공기 운항 등 공학과 밀접한 관계를 가지고 있어 급격하게 발전하였다.

    유체의 운동에 대한 해석은 연속방정식과 베르누이 원리로 이해할 수 있다. 유체가 연속적인 흐름을 유지한다고 가정했을 경우, 단위 시간에 관을 흘러 들어가는 물의 양이나 흘러 나오는 물의 양이 같아야 연속성이 유지된다. 이를 수식으로 나타낸 것이 ‘연속방정식’으로 “흐르는 유체의 단면적과 이동속도의 곱은 일정한 값을 가진다.”는 것이다. 이러한 식은 근본적으로 질량이 보존된다는 원리에서 유도될 수 있다. 따라서 관에 물이 단면적이 넓은 곳에서 좁은 곳으로 물이 흐를 때, 넓은 곳을 통과한 유체가 좁은 곳에 같은 양이 통과해야 하므로 유체의 속도는 빨라지게 되는 것이다. 반대로 수돗물이 아래로 갈수록 가늘게 되는 것처럼 유체의 속도가 빨라지면 유체의 단면적이 작아지기도 한다.

    1738년 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli, 1700~1782)는 그의 저서 『유동체 역학』에서 유체의 이동 속력과 압력, 높이의 관계를 밝힌 유명한 ‘베르누이 원리’를 발표하였다. 이상적인 유체이고, 유체가 규칙적으로 흐를 경우 유체의 압력과 속력과의 관계를 밝힌 것으로 유체의 이동 속력이 빨라지면 압력이 낮아지고 반대로 속력이 느리면 압력이 높아진다는 원리이다. 이는 위치에너지와 운동에너지의 합이 일정하다는 역학적 에너지 보존법칙이 유체에 적용되는 것이다.

    유체의 운동 원리가 적용된 것은 우리 주변에서 쉽게 발견할 수 있다. 연속 방정식과 관련된 것으로 물이 흘러갈 때 좁은 개울 물의 유속은 넓은 곳보다 더 빠르게 흐르는 모습을 관찰할 수 있다. 또한 호스에 물이 흐를 때 호스 입구를 눌러 물이 흐르는 면적을 좁게 하면 속력이 빨라져서 물이 멀리까지 나가게 된다. 최근에는 높은 건물이 많이 들어서는데 건물과 건물 사이 좁은 공간에 센 바람이 부는 것도 같은 원리이다.

    베르누이 원리가 적용되는 예는 더 많다. 대표적으로 비행기 날개의 모양이다. 날개 위쪽은 둥근 모양이고 아래쪽은 편평하게 되어 있으므로 공기가 이동할 때 위쪽으로 더 빠르게 흐르게 된다. 따라서 날개의 위쪽은 압력이 낮고 아래쪽은 압력이 더 높게 되어 높은 압력에서 낮은 쪽으로 힘을 만들 수 있게 된다. 이 힘으로 비행기를 띄우는 양력이 생길 수 있다. 휘어지는 축구공도 마찬가지이다. 축구공 입장에서는 공기가 공을 향해 움직이고 있는 상황이다. 이때 공을 위에서 볼 때 시계 반대방향으로 회전하게 찬다고 가정하면 오른쪽은 공 회전방향과 공기 이동방향이 반대로 되어 압력이 높고, 왼쪽은 공기 움직임과 공의 회전방향이 같아 공기 이동이 빨라져 압력이 낮아진다. 따라서 공은 왼쪽으로 휘어지면서 갈 수 있게 된다.

    또한, 날개 없는 선풍기나 자동차에서 연료와 공기를 섞어주는 벤추리 관이 있다. 날개 없는 선풍기는 원모양의 테두리에서 공기를 빠르게 나오게 압력을 낮추면 주변의 공기들이 힘을 받아 이동하게 만든 것이고, 벤추리 관에서는 좁게 만든 관의 아래쪽에 연료 관을 수직으로 끼워 공기를 빠르게 지나갈 때 압력이 낮아 아래쪽 연료를 자동으로 위로 올라오게 만든 장치이다.

    ‘서울시립과학관’에서 베르누이의 원리를 살펴볼 수 있는 체험물은 ‘R05 공기의 흐름 변화를 알아볼까?’뿐만 아니라, G전시실의 ‘G11 빌딩 사이에서 바람이 어떻게 불까? 등이 있다. 다른 전시실에 있는 체험물을 체험하면서, 베르누이의 원리에 대해 더 자세히 알아보자.

     
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