기계공학 4대 역학 정리 - gigyegonghag 4dae yeoghag jeongli

기계공학과의 핵심과목은 4대역학(재료역학, 동역학, 열역학, 유체역학)입니다. 오늘은 '대상물체가 무엇이냐'는 관점으로 4대역학을 분류해보겠습니다. 

1. 연속체 가정

기계공학과에서 다루는 물체들은 '연속체'라는 가정을 내포하고 있습니다. 우리 주변에 있는 모든 물체를 확대하고 또 확대하면 원자와 빈공간으로 이루어져 있습니다. 물체를 '미시적'으로 보면 빈공간이 있고 불균일(어느 부분을 택하느냐에 따라 성질이 달라짐)한 상태입니다. 따라서 물체를 해석하려면 원자모델로 접근해야하는데, 너무 어렵고 복잡합니다. 우리의 선배들은 쉽고 효율적으로 물체를 해석하기 위한 방법을 찾아냈습니다. 몇가지 가정을 하고 연속체라는 개념을 탄생시킨 것인데요. 물체 내부에 빈공간이 없다는 가정과 균일하다는 가정입니다. '연속체'는 이렇게 등장하게 되었습니다. 

2. 고체와 유체

연속체는 크게 '고체'와 '유체'로 나뉩니다. 일상적으로 고체와 유체를 구분하는 것은 어렵지 않습니다. 액체, 기체가 유체이고 고체는 고체죠. 하지만 공학에서는 더 명확한 기준이 필요합니다. 공학에서는 힘에 대한 반응을 기준으로 고체와 유체를 나눕니다. 고체는 힘을 받으면 변형되는데, 힘을 가하고 있다고 해서 무한히 변형되지는 않습니다. 지우개를 눌러 보면, 내가 누르는 힘과 지우개가 변형되어 저항하는 힘이 평형을 이루는 지점에서 변형을 멈춥니다. 이런 물질을 고체라고 합니다. 하지만 액체의 경우는 다릅니다. 물 위에 판자 하나가 있다고 해봅시다. 이 판자를 손으로 밀면 끊임 없이 움직입니다. 힘을 받으면 끊임 없이 변형하는 것이죠. 이런 물체를 유체라고 합니다. 

+너무 단단(rigid)해서 변형이 없다고 가정한 물체가 '강체'입니다. 

3. 재료역학

재료역학에서는 힘을 받은 고체에 대해 공부합니다. 힘의 평형상태만을 다루기 때문에 움직임은 없다고 가정합니다. 힘을 받을 때 고체의 '변형'에 대해서만 다루는 것입니다. 힘을 받은 고체 내부에는 '응력'이 발생하게 되고 이 응력이 재료의 파손기준이 되기 때문에 중요합니다. 재료에 대한 이해를 통해 안전한 구조물을 설계하는 것이 목적입니다. 

4. 동역학

동역학에서는 힘을 받은 강체에 대해 공부합니다. 가속도를 고려하기 때문에 움직이는 물체를 다룹니다. 대신 변형되지는 않습니다. 동역학에서는 크게 두가지를 배우는데 운동학과 운동역학을 배웁니다. 운동학은 물체의 운동을 단순히 기술한 것이고 운동역학은 이러한 운동의 근원이 되는 힘과의 관계까지 규명합니다. 부피(면적)이 없는 질점으로 시작해서 부피(면적)이 있는 강체로 개념을 확장해 가며 공부합니다. 차원의 관점에서는 간단한 2차원에서 3차원으로 개념이 확장됩니다.

5. 유체역학

정지해있는 유체(유체정역학), 힘을 받아 움직이는 유체(유체동역학)에 대해 공부합니다. 유체정역학은 정지한 유체가 받는 압력을 계산하는데 깊이와 밀도에 따라 압력이 달라집니다. 유체동역학은 층류와 난류, 점성과 비점성 등에 따라 분류됩니다. 베르누이방정식, 나비어스톡스방정식을 유도하고 적용하는 것을 배웁니다. 

6. 열역학

열역학은 재료,동,유체역학과는 다르게 특정한 대상 물체가 있는 학문은 아닙니다. 열역학은 물체와 물체 사이를 오가는 '열'을 다루는 학문입니다. 열은 에너지를 전달하는 방식이고, 물체에 '열에너지'를 전달합니다. 이 열에너지를 기계적인 에너지로 전환할 수가 있는데 이 과정을 '사이클'이라고 합니다. 열역학의 핵심은 '사이클'입니다. 자동차의 내연기관, 에어컨의 냉난방 사이클 등에 사용니다. 

*4대역학 학문의 갈래 영상입니다. 참고하세요. 

재료랑 열까지는 티스토리에 정리해서 올렸는데 유체부터는 나도 어려워가지고 손뗀지 5개월이 넘었네..;

블로그 글을 다 네이버로 옮겨오겠다고 마음먹었는데, 겸사겸사 유체역학부터 제어까지도 마저 정리해야겠다.

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기계공학의 꽃은 뭐다? = 유체역학이다

유체역학1, 2 둘 다 나는 B0를 받았다 유체역학은 유독..나랑 안맞아..

유체가 쉽다는 사람들은 진짜 대학원에서 모셔가야하는 천재들이다.. 난 절대아냐..

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사실 취업을 위해서 유체를 알아야한다면 유압기계쪽을 파면 좋다

펌프, 압축기 이런애들. 그게 아마 기계공학 전공자들이 실무에서 가장 많이 접하게될 친구들 아닐까?

그거 말고 유체에서 좀 어려운 친구들, 설명하는데 10분이 넘어가는 개념들은 면접관들도 어려워서 못물어본다. 자기들도 정확하게 모르거든

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그래서 유체는 좀 얌체스럽게 공부하면 좋을 것 같다

<유체역학 예상 질문 리스트>

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0. 유체역학이란 무엇인가?

유체의 성질과 운동, 유체가 주위와 상호작용하는 힘의 관계를 역학적으로 풀이하는 학문

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1. 유체란?

아무리 작은 전단력을 작용하여도 연속적으로 변형하는 물질. 일반적 기체와 액체

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2. 파스칼의 법칙을 설명하고, 예시를 들어라.

밀폐된 용기에 담긴 유체에 압력을 가하면 유체의 모든 부분과 용기의 벽에 압력의 감소 없이 동일한 세기로 전달된다는 법칙이다.

치약을 어디든 누르면 똑같이 치약이 나오는것, 또는 유압 브레이크의 원리 또한 파스칼의 법칙의 예시이다.

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3. 점성이란 무엇인가? 또한 뉴턴의 점성법칙을 설명하라.

점성이란, 유체의 흐름을 방해하는 저항이다. 유체가 물체 표면위를 지나면 달라붙는 것이 바로 점성때문이다.

뉴턴의 점성법칙이란, 유체의 점성으로 인한 변형응력은 속도구배(전단변형률)에 비례한다는 법칙이다. 단, 이때의 비례상수를 점성계수라고 부르며 단위는 N.s/m2(=Pa.s)이다. 다시말했을때, 유체의 흐름에 수직인 방향으로 속도 기울기가 존재하면 이를 방해하는 방향으로 저항력 작용하게 되는데, 이때 저항력은 속도 기울기에 비례한다는 것이 이 법칙의 주 요점이다.

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4. 표면장력이란?

액체는 분자간의 인력에 의해 발생하는 응집력을 가지고 있어 액체의 표면을 최소화하려는 장력이 작용하게 도는데, 이를 표면장력이라 부른다. 크기는 단위길이당 힘의 세기[N/m]로 계산한다.

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5. 부력이란? 아르키메데스의 원리를 설명하라.

물체가 정지 유체 속에 잠길 때, 물체에 가해지는 유체의 힘을 부력이라 한다. 크기는 유체의 비중량*물체가 잠긴 부피로 계산한다.

아르키메데스의 원리란, 유체에 물체가 잠겨 있을 경우, 잠긴 부피에 해당하는 유체의 무게만큼 수직 윗방향으로 부력이 작용한다는 것이다.

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6. 연속방정식을 설명하라.

정상상태의 유체 흐름에 질량보존법칙을 적용한 식이 연속방정식이다. 유체가 관 속을 흐를 때 단면에 상관없이 유량은 동일하며, 단면에 따라 유속이 변화하는 것을 설명가능하다.

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7. 베르누이 방정식이란? 이 방정식이 성립하기 위한 조건을 설명하라.

유체의 에너지보존법칙이다. 유체가 흐를 때 운동에너지, 위치에너지, 압력의 합은 일정하다는 것을 보여준다. 양 변을 비중량으로 나누면 수두에 관한 식으로 변화 가능한데, 압력수두, 위치수두, 속도수두의 합은 항상 일정하다는 것을 보여준다. 높이차이를 무시할 수 있을 때, 압력이 커지면 속도가 작아지고 압력이 작아지면 속도가 커짐을 알 수 있다.

이 베르누이방정식이 성립하기 위한 유체의 조건은, 비점성(마찰x), 비압축성, 정상상태의 흐름, 유체입자는 유선을 따라 이동해야한다.

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8. 층류와 난류를 구분하여라.

층류란, 유체의 규칙적인 흐름이다. 유체 입자가 각 층 사이를 미끄러지며 흐르고, 뉴턴의 점성법칙이 성립하게 된다.

난류란, 유체의 불규칙적인 흐름이다. 여러 소용돌이가 불규칙하게 존재하며, 물체에 가하는 저항도 크다.

실제 유체의 유동은 난류와 층류가 혼합된 흐름이다.

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9. 레이놀즈수의 개념과, 난류와 층류에서의 레이놀즈수는 어떠한지 설명하라.

레이놀즈 수란, 층류와 난류를 구분하는 무차원수이다. 유체의 관성력과 점성력의 비로 계산가능하며, 2100 이하는 층류, 4000이상은 난류, 그 사이는 층류에서 난류로 발달되는 천이영역으로 구분할 수 있다.

난류에서는, 관성력이 커서 운동성을 유지하며 표면과 박리되며 레이놀즈 수가 크다.

층류에서는, 점성력이 더 커서 표면에 점착되며 레이놀즈 수가 작다.

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10. 유동박리를 설명하고, 골프공에 딤플이 존재하는 이유를 설명하라.

유동박리란, 유체가 익형이나 뭉뚝한 형체 주위를 흐를 때, 그 표면을 따라 흐르지 못하고 표면으로부터 떨어져 나가는 현상이다.

골프공의 딤플의 원리는, 공이 공기 속을 빠른 속도로 날아가게 되면 앞부분의 압력은 높아지고 후면부는 박리점을 기준으로 와류가 생기며 압력이 낮아진다. 고압에서 저압으로 저항력이 작용하게 되면서 골프공이 진행하는 방향으로 방해를 받게 된다. 만약 골프공에 딤플이 있다면, 딤플은 중간중간 작은 난류를 생성하여 공기를 섞어주고, 후면부의 압력저하 현상을 완화시켜주게된다. 전면부와 후면부의 차이가 적으니 저항이 줄어들고 골프공은 더 멀리 날아갈 수 있게된다.

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11. 와류란?

유체가 방해물을 만날 때 유체 흐름의 일부가 방해물 뒤쪽의 빈곳으로 흘러가 소용돌이를 만드는 현상이다. 빠르게 흐르는 강물이 큰 바위를 만나면 바위 뒤편에서 물이 소용돌이 치는 현상을 예로 들 수 있다.

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12. 항력과 양력을 구분하고, 비행기의 원리를 설명하라.

흐르는 유체 속에 물체가 정지해 있거나 정지한 유체 속에 물체가 움직일 때, 물체는 유체의 저항력을 받게된다. 이때, 유체의 흐름방향으로 작용하는 힘의 성분을 항력, 수직한 방향을 양력이라 한다.

비행기의 날개모양은 윗면이 밑면보다 곡선의 길이가 길다. 윗면은 유체가 흐르는 거리가 길어 아래쪽보다 유체의 속도가 더 빠르게 되고, 압력이 감소(베르누이 정리)하게 되는데, 이때 아래쪽에서 위로 밀어내는 양력이 형성되면서 비행기가 뜨게 된다. 양력이 중력보다 커야 비행기가 상승할 수 있으며. 같으면 비행기는 일정한 고도를 유지한다. 프로펠러나 제트엔진은 뒤로 공기를 분사하여 반작용으로 비행기가 앞으로 움직이는 추력을 받게 되는데, 항력보다 추력이 더 커야 앞으로 나아갈 수 있으며, 항력을 줄이기 위해 기체를 완만하게 유선형으로 제작하게 된다.

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13. 펌프란?

압력이 낮은 곳에서 높은 곳으로 액체를 이송하는 장치이다.

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14. 펌프의 공동현상(캐피테이션), 맥동현상(서징), 수격작용(워터해며)를 설명하고, 방지 방법을 들어라.

펌프의 공동현상(캐비테이션)이란, 펌프의 임펠러가 회전하면서 내부 압력이 포화증기압 이하로 감소해 유체에 증기가 발생하고, 생성된 기포과 펌프의 벽과 부딪치면 소음이나 진동이 발생하는 현상이다. 캐비테이션이 발생하면 펌프의 수명이 낮아진다. 이를 방지하기 위해서는 펌프 설치 높이를 낮추거나(흡입수두 감소), 임펠러의 회전수를 낮추며, 흡입부의 압력을 높이면 된다.

맥동현상(surging)이란, 펌프 운전 중 압력계의 눈금이 흔들리고 송출 압력이 주기적으로 변하는 현상이다. 이로 인해 소음과 진동이 발생하게 되는데, 이를 방지하기 위해서 임펠러의 회전수를 조절하고, 유량조절밸브를 사용하여 펌프의 송출유량을 증가시킨다.

수격작용(water hammer)이란, 관 속을 흐르는 유체의 유속이 급격히 바뀌어 유체의 운동에너지가 압력에너지로 변해 관내 압력이 이상 상승하게 되는 현상이다. 충격파로 인해 관로가 파손되며 진동과 소음이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 관내 유속을 낮게하고, 밸브를 천천히 개폐하거나 수격방지기 설치한다.

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15. 노즐과 디퓨저를 설명하라.

노즐이란, 유체의 압력을 희생시켜 속도를 높이는 장치이다. 압력을 줄여 유체를 팽창시키는 과정에서 아무런 일과 열이 발생하지 않고, 추력을 발생시키기 때문에 로켓을 발사하거나 제트엔진에 사용한다. 유체의 속도를 엄청나게 가속 가능하다.

디퓨저는 노즐의 반대 역할이며, 유체의 속도를 희생시켜 정압을 높이는 장치이다.

사실 유체역학에서 가장 어려운건 나비에스토크방정식과 오일러방정식 아닐까

난 아직도 이해못했는데..

이 둘은 백프로 면접관들도 모르기때문에 설명해보라고 안나올 것 같고, 만약 물어본다고 하더라도 둘이 어떻게 다른지를 설명하라고 물어볼 것 같다.

그러면 오일러방정식 = 비점성유체의 에너지, 운동량, 질량보존을 의미하는 방정식이며,

나비에 스토크 방정식 = 모든 유체의 운동량 보존법칙만 표현한 방정식이라고 얘기하면 될 듯?

노란색은 내가 중요하다고 생각하거나 / 잘 못 외운 개념들

빨간색은 면접보면서 면접관들이 물어본 개념들!