전단 (물리)

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전단력과 유체의 흐름

크기가 같고 방향이 서로 반대되는 힘들이 어떤 물체에 대해서 동시에 서로 작용할때 그 대상 물체 내에서 면(面)을 따라 평행하게 작용하는 힘을 전단력(剪斷力)이라 하고,[1] 이때 그 대상이 전단력(剪斷力)에 영향받는 현상을 전단(剪斷)이라고 한다.

가위로 잘리워지는 종이의 절단면(切斷面)을 예로 들수있다.

특히 유체 역학에서는 쏠림현상 또는 층밀리기 변형력이라고도 한다.

전단 응력(shear stress)[편집]

전단 응력
작용
작용 면적

충격에 영향을받지 않는 정도에 따른 단단한 둥근 막대에서 생성되는 최대 전단 응력은 다음 식으로 주어진다.

운동에너지 변화율
전단 탄성 계수
부피

유체의 전단력[편집]

고체 경계를 따라 움직이는 실제 유체 (액체 및 가스 포함)는 경계에서 전단 응력을 발생시킨다. 미끄러움이없는 조건은 경계에서 유체의 속도가 0 인 것을 나타낸다. 그러나 경계로부터 일정 높이에서 점점 유속은 유체의 속도와 동일해간다.[2]

점성 계수
유속(유체의 속도)
높이
전단변형률

행렬[편집]

데카르트 좌표 (x, y)의 2D 공간 (유속 성분은 (u, v) 임)을 고려하면 전단 응력 행렬은 다음과 같다.

뉴턴 유체 흐름을 나타낸다. 실제로는 다음과 같이 표현할 수 있다.

즉 점도 텐서를 갖는 비등방성 유동

(공간 좌표에 따라 다름) 과도 현상이지만, 유속과 관련이 없다.

따라서 이 흐름은 뉴턴 식이다. 한편, 점도가

일때, 점도는 유속에 의존하기 때문에 비(非)뉴튼 유체(Nonnewtonian)이다. 이 비 뉴튼유체는 등방성 (행렬은 단위 행렬에 비례 함)이므로 점도는 단순히 스칼라이다.

함께보기[편집]

참고[편집]

  1. (표준국어대사전)http://stdweb2.korean.go.kr/search/List_dic.jsp
  2. Day, Michael A. (2004), The no-slip condition of fluid dynamics, Springer Netherlands, pp. 285–296, ISSN 0165-0106.
  • 유체역학(Fundamentals of fluid mechanics, Wiley,Bruce R. Munson,Donald F.Young,Theodore H.Okiishi,5thEdition)
  • 수질환경(2013,세진사,공저-이종혁,이의현,김선태)