철도 유체역학 및 실험

1. 철도 유체역학 및 실험 Part 2 담당교수명: 서 영 민 연 락 처 : elofy@naver.com

2. 표면장력 표면장력 (surface tension) - 액체상태의 분자들이 서로 끌어당기기 때문에 발생하는 힘 · 액체중의 분자는 이웃하는 분자들에 의해 균등하게 끌어 당겨지는 힘이 발생 · 모든 방향으로 같은 크기의 힘이 작용하고 있으므로 합력은0임. - 액체의 표면 막의 강도를 나타내는 척도 · 분자가 액체의 표면에 위치할 경우 · 액체 내부에서는 인력 (끌어당기는 힘)이 작용 · 공기와 접하는 부분에서 공기쪽으로는 인력이 존재하지 않음. · 분자간의 합력이 액체의 내부 방향으로 향하게 되어 액체의 표면 막 (film)을 형성하게 됨. - 표면장력의 예 · 소금쟁이와 같은 수중생물들의 물 표면상에서 이동 · 고요한 유리잔의 물 표면에 바늘이 뜨는 현상 · 모세관 상승

3. 표면장력 표면장력 (surface tension) - 표면장력의 단위 · dyne/cm · 1cm 길이의 표면 막을 파괴하는데 필요한 힘 - 유체 종류별 표면장력 크기의 예 · 물: 72.7 dyne/cm (20℃) · 에틸알콜: 22.4 dyne/cm · 수은: 465 dyne/cm - 온도와 표면장력의 관계 · 표면장력은 온도가 증가함에 따라 감소  뜨거운 물은 낮은 표면장력을 가짐 - 응집력 (cohesive force) · 액체 분자간 작용하는 인력 - 부착력 (adhesive force) · 액체 분자와 다른 물체간 작용하는 인력 · 물 분자간 응집력 < 물 분자와 유리벽과의 부착력  모세관 상승 발생

4. 표면장력

5. 표면장력 : 모세관 현상

6. 표면장력 표면장력 (surface tension) - 비누방울 내외부 압력차 예) 비누방울의 지름이 5cm일 때 비누방울 내부와 외부의 압력차를 구하라. (표면장력은 80 dyne/cm를 적용) 

7. 모세관 현상 모세관 현상 (capillary action) - 부착력, 응집력, 표면장력에 의한 다공성 물질 공간 내에서의 물의 이동 - 예) 물잔에 종이를 담글 경우 종이를 따라 상승하는 물 식물의 모세관 현상: 토양 속의 수분을 모세관 현상에 의해 끌어올려 물속에 용해된 영양물질 흡수 - 접촉각(contact angle)에 따른 물과 고체간의 부착력 · 소수성(hydrophobic) 물체: 물과의 접촉각이90° 이상 물과 잘 섞이지 않는 물질또는 물에 잘 녹지 않는 물질 예) 물과 파라핀: 접촉각107°  방수체 · 은 (silver): 물과의 접촉각 거의 90° · 석영 (quartz): 물과의 접촉각90° 이하  물에 잘 젖는 성질 · 일반적인 유리: 물과의 접촉각 약 25° · 깨끗한 물과 유리: 접촉각0°

8. 모세관 현상 모세관 현상 (capillary action) - 가는 유리관 내에서의 모세관 상승 · 표면장력과 부착력 간의 상호작용에 의해 모세관 상승 발생 · 부착력이 수표면 막을 위로 끌어당김에 따라 수표면 막은 중력에 저항하며 유리관내의 물을 끌어올리게 됨. - 모세관 상승고 h

9. 모세관 현상 예제 1.9 20℃의물에 직경 2mm의 깨끗한 유리관 (접촉각 0°)을 세웠을 때 모세관내 상승고? (20℃ 물의 단위중량= 0.998g/cm3, 표면장력 = 72.7 dyne/cm, 1g = 980dyne)

10. 모세관 현상 - 2개의 연직 평판을 세운 경우 

11. 모세관 현상 - 물방울에 작용하는 표면장력  : 물방울 내외부압력차

12. 압축성 및 탄성 압축성(compressibility) 및 탄성 (elasticity) - 이상유체가 아닌 실제 유체는 외부에서 압력을 가하면 압축되어 부피가 줄어들고 압력을 제거하면 원 상태로 팽창됨. 이러한 유체의 성질을 압축성 및 탄성이라고 함. 체적탄성계수 (bulk modulus of elasticity) E - 압력변화에 따른 체적의 변화 - 초기 체적 V0가 압력변화 Δp에 의해 ΔV만큼 변할 경우 압력증가에 따라 체적이 감소하므로 체적탄성계수 앞에 – 부호 사용 압축계수 (modulus of compressibility) K - 체적탄성계수의 역수

13. 압축성 및 탄성 비압축성 유체 (incompressible fluid) - 압축이 되지 않는다고 가정한 유체 - 압력에 관계없이 체적, 온도, 밀도 등이 일정하다고 가정하는 유체 - 일반적으로 액체 (물), 저속흐름의 기체  일반적인 수리학 해석에서 물은 체적변화가 없는 비압축성 유체로 간주 감소 증가 최대 최소 감소 증가