유체의 물리적 특성

1. 외력 및 내력

 어떤 물체의 운동상태의 변화는 그 물체에 외부로부터 작용하고 있는 힘에 의해서 일어난다. 이 힘을 일반적으로 외력(external force)이라고 부른다. 단체로서의 고체는 공간 또는 수중에 어떤 하나의 폐곡면을 가상해서 이 폐곡면의 내부를 공기 또는 물로 생각한다면, 이런 것은 하나의 물체로 생각할 수 있으며 이것에 외부로부터 일하고 있는 힘은 외력이다. 일반적으로 외력은 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 질력(body traction)이며, 물체내부의 전 부분에 균일하게 작용하는 것이고, 다른 하나는 면력(surface traction)이며, 물체의 표면에 작용하는 것이다. 중력은 전자에 속하고 고체에 작용하는 하중이라든가 폐곡면의 외부의 물체가 내부의 그것에 작용하는 압력 등은 후자에 속한다.

 내력(internal force)은 물체 내부에서 외력 또는 변형에 저항하기 위해 물체의 분자 사이에서 일어난다고 생각되는 힘이다. 이 내력을 응력(stress)이라고도 한다. 응력을 수직응력(normal stress)과 전단응력(shearing stress or tangential stress)으로 나눌 수 있다. 수직응력은 물질 내부에 가상적인 어떤 면에 수직방향으로 작용하는 힘이다. 물체를 그 가상면을 통해서 서로 끌어당기는 수직응력을 인장응력(tensile stress)이라고 하고, 서로 미는 수직응력을 압축응력(compressive stress)이라고 한다. 또한 전단응력은 가상면에 평행으로 일어나는 응력이다. 즉 유체 내에서 가상 폐곡면으로 둘러싸인 물체의 외력으로서의 면력은 계를 취하는 방향에 의해서 내력 즉, 응력이다. 물체 내의 한 점의 주위에 미소한 면을 생각하고, 이 면에 수직 혹은 수평면에 작용하는 응력과 그 면적과의 비, 즉 단위면적에 작용하는 응력을 그 점에 대한 응력의 강도 또는 응력도(intensity of stress)라고 한다.

 

2. 유체의 일반적 성질

 일반적으로 물체는 고체, 액체, 기체로 분류한다. 고체는 외력에 의해서 변형시킬 때 그 변형속도의 대소에 관계없이 강한 저항을 나타낸다. 여기에 반해서 액체 또는 기체는 그 자신이 고정된 경계를 가지지 않고, 아주 작은 전단력에 대해서도 저항은 나타내지 않고, 쉽게 연속적으로 변형한다. 그러나 문제는 변형(displacement)의 속도로서 이것이 크면, 액체 또는 기체라 해도 그 변형에 역저항을 나타낸다. 이 성질은 점성(viscosity)이라 부른다. 이와 같이 양자는 외력에 대한 변형에 의해서 발생하는 저항의 성질이 다르다. 이러한 뜻에서 액체와 기체는 구별되나 양자를 총칭해서 유체(fluid)라고 부른다.

 액체와 기초의 다른 점에 대해서 검토해 보자. 양자 모두 외력을 받으면, 변형이 된다. 이 변형이 그 체적에 비해 극히 작게 변화하여, 변화하지 않는 것으로 취급할 수 있는 것과 변형이 아주 크게 나타나는 것이 있다. 이 성질은 압축성(compressibility)이라고 부르고 있으나, 그 성질의 차이에 따라 전자를 액체라 하고 후자를 기체라고 한다. 물, 기름 등은 액체의 예이지만 공기, gas 등은 기체의 예이다. 액체와 기체가 가지고 있는 또 하나의 중요한 차이점은 그 자체에 고유의 자유표면(free surface)을 가지고 있는 것인가, 그지고 있지 않는 것인가라는 점이다. 기체는 담는 그릇의 크기에 따라서 넓어지고, 그것을 그릇에 가득 채울 수도 있다. 테니스 공 속에 넣은 공기를 축구공 속으로 옮긴다면, 곧 그 공의 내부에 가득 퍼지게 되며, 물과 같이 공의 바닥에만 있는 것은 아니다. 즉, 기체는 그 고유의 자유표면을 가지고 있지 않지만, 액체는 자유표면을 가지고 있다. 여기서 말하는 액체 고유의 자유표면은 어떤 특성을 가지는 것일까? 이것은 그 액체가 정지 상태로 있는 것인가, 운동 상태로 있는 것인가에 따라서 다르다. 그러나 그 운동이 어떠한 종류의 것인가에 따라서 다르기 때문에 이것 자체가 중요한 연구의 대상이다. 즉, 액체는 그 자체가 가진 특성, 넓은 의미로는 정지를 포함한 운동방법과 외부로부터 가해진 여러 힘과 외부로부터 주어진 경계적 제약과 함께 평형된 형태로 특유한 자유표면을 형성하기 때문이다.

 

3. 무게

 물은 고체와 같이 일정한 체적을 가지지만 온도에 따라서 약간 팽창하거나 수축한다. 물은 4℃일 때 최대 비중이므로 온도가 4℃보다 오른다거나, 내린다면 체적은 증가하며 비중은 감소한다. 다만 고체화하여 얼음이 된다면, 보통의 고체와 같이 온도가 떨어짐에 따라서 수축하고 비중이 크게 된다. 표준기압을 기준으로 한 온도와 물의 밀도와의 관계는 표1.과 같다. 이러한 물의 무게는 홍수시의 하천수와 탁수에서는 비중이 1.01에 달하는 예도 있으나, 수리학에서는 통상 일정한 것으로 가정하고, 단위체적당 중량은 1ton/㎥ 또는 1kg/L 혹은 1g/㎤이며, 얼음은 대체로 920kg/㎥이 된다. 해수와 같이 염분을 포함할 때는 염분 1%에 따라 0.008의 비율로 증가하지만, 평균무게는 1.025ton/㎥이다. 참고로 세계의 여러 해안별 염분햠유량을 들면 표2.와 같다.

표1.

표2.