안녕하세요 라이킷입니다~~~
이번 시간에는 뉴턴의 점성법칙에 관해 배워보는 시간을 갖도록 하겠습니다! 유체역학에서 뉴턴의 점성법칙은 기본적인 개념으로 인식될 만큼 중요한 법칙입니다. 이번 포스팅을 보시고 뉴턴의 점성 법칙을 명확하게 이해하시길 바라겠습니다!
1. 뉴턴의 점성법칙이란?
뉴턴의 점성법칙은 점성 유체의 흐름에서 전단 응력과 전단 변형률 속도 간의 관계를 나타내고 있습니다.
뉴턴의 점성법칙에서는 위의 식을 통해서 나타낼 수 있으며 여기서 τ는 전단응력(유체 내부 마찰로 인해 발생하는 단위 면적당 힘)이고 μ는 점성계수(유체의 점성정도를 나타내는 상수)이며 du/dy는 속도구배(각 변형속도)라고 합니다. 유체가 위 식을 만족하는 지 여부에 따라서 만족을 한다면 뉴턴유체라고 하고 만족하지 않는다면 비뉴턴유체라고 합니다. 뉴턴유체는 물 혹은 공기와 같은 대부분의 저점성 액체입니다. 뉴턴의 점성법칙을 따르기에 전단응력과 속도구배의 관계가 선형적입니다. 반면 비뉴턴유체는 소스 혹은 혈액등과 같은 물질들이 속합니다. 뉴턴의 점성법칙을 따르지 않기 때문에 전단응력과 전단 변형률 속도의 관계가 비선형적입니다. 뉴턴의 점성법칙은 파이프 내 유체 흐름분석, 항공기와 자동차의 공기역학적 설계 등 여러 상황에 활용됩니다.
2. 점성계수 (μ : coefficient of viscosity)
그럼 다음으로 알아볼 용어는 점성계수 입니다. 점성계수는 μ로 나타낼 수 있으며 유체의 점성정도를 나타내는 상수입니다. 이는 유체의 종류에 따라 달라지며 온도와 압력의 변화에 따라 값이 변합니다. 액체의 점성계수는 온도가 증가함에따라 분자 간 상호작용이 줄어들기 때문에 점성이 감소합니다. 반면에 기체의 점성계수는 온도가 증가함에 따라 분자의 운동 에너지가 증가하여 충돌 빈도가 높아지기 때문에 점성이 증가합니다. 점성계수의 측정 방법은 capillary viscometer/rotational viscometer/falling sphere viscometer 등이 있습니다. 점성계수의 단위와 차원은 아래와 같습니다.
| SI단위 | [N · s/m²] = [Pa · s] |
| CGS단위 | 1[dyne · s/cm²]=1[poise] 1[dyne]=1[g] x 1[cm/s²] 1[poise]=10⁻²[N · s/m²]=1/98[kgf · s/m²] 1[cp]=1[centi poise]=10⁻²[poise] |
| 차원 | [FL⁻²T]=[ML⁻²T⁻¹] |
3. 동점성계수(ν : kinematic viscosity)
마지막으로 동점성계수에 관해서 배워보겠습니다. 동점수계수는 점성효과의 전파속도를 나타내는 척도로 나타낼 수 있습니다. 동점성계수를 구하는 식은 아래와 같으며 ν는 동점성계수이고 ρ는 밀도입니다.
| SI단위 | [N · s/m²] = [Pa · s] |
| CGS단위 | 1[strokes]=1[cm/s²]= 10⁻⁴[m²/s] 1[cst]=1[centi strokes]=10⁻²[strokes] |
| 차원 | [L²T⁻¹] |
오늘은 뉴턴의 점성법칙부터 점성계수와 동점성계수를 배워보는 시간이었습니다. 관련 단위를 함께 알아두시면 문제를 푸는 데에 많은 도움이 될거에요 그렁 다음시간에 또 찾아오겠습니다!
