일상생활 속에서 유체공학을 발견하자

우리는 항상 공기나 물과 접하며 생활한다. 공기는 대표적인 기체이고, 물은 대표적인 액체이다. 기체나 액체처럼 일정한 형상은 없고 유동성이 있는 물질을 ‘유체’라고 부르는데, 액체와 기체는 동일한 작용을 하는 경우가 있는가 하면 전혀 다른 성질을 갖기도 한다. 어떤 현상이나 생각하는 입장에 따라 여러 가지 측면에서 바라볼 수 있다.
이 책은 유체의 성질과 작용뿐 아니라 생활에 이용되는 유체 기술까지 다양한 분야에 걸쳐 ‘유체공학’을 다룬다. 구체적인 예로 비행기가 하늘을 나는 것을 살펴보자. 이전에 밝혀진 일반적인 원리 외에도 시대나 기술 환경이 변함에 따라 다방면에서 타당성을 갖는 새로운 견해가 등장하기도 한다. 이 책은 특정 이론이나 설명에 편중하여 다른 관점의 의견을 배척하지 않고 지식을 폭넓게 전하고자 했다.
유체의 현상은 생활 곳곳에서 발견할 수 있다. 찻잔 속에 있는 뜨거운 물을 회전시키면 바닥에 가라앉은 찻잎이 가운데로 모인다. 세면대나 욕조에 채웠던 물을 배수시키면 소용돌이는 중심에 가까워질수록 속도가 증가하여 배수구로 빠져나간다. 이와 같은 기본적이고 실험적인 현상으로도 유체의 성질을 밝힐 수 있다. 경기용 수영복은 물속에서 서식하는 물고기의 비늘에 착안하여 원단 재질과 표면 가공법에 대한 연구를 거듭했다. 고속열차는 신형 차량이 등장할 때마다 차량 앞부분의 형상이 평평하면서 길어지고 있다. 레이싱 카는 레이스의 안전성 확보를 위해 차량 규정이 매년 바뀐다. 무심코 지나쳤던 이러한 사례들도 이 책을 읽어 나가는 동안 새롭게 보일 것이다.

자전거 페달이 무거워져서 경쾌하게 달릴 수가 없을 때, 타이어를 손으로 눌러 보면 공기가 빠져서 물렁물렁했던 경험이 있을 것이다. 감소한 공기를 공기 주입기로 보충하면 다시 쾌적하게 달릴 수 있다. 이때 공기를 어느 정도 넣어야 할까?
제1장 유체의 성질을 배우다
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점성과 압축성을 무시한 이상적인 완전 유체라면 운동을 방해하는 힘은 발생하지 않지만, 실제 유체에는 점성이 있기 때문에 유체와 물체의 접촉면으로부터의 거리 때문에 유체 내부에 속도 차가 생기고 운동에 대한 저항력이 발생한다. 액체의 점성은 온도가 상승하면 저하되기 때문에 윤활유 막을 만들려면 적당한 점성이 필요하므로 자동차 엔진오일과 같은 윤활유는 온도 변화가 있어도 안정된 점성을 유지해야 한다.
제2장 유체의 성질을 이용하다
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건축업 관련자들이나 목수들 사이에서 물이라는 단어는 수평을 의미하는 경우가 있다. 가늘고 긴 재료에 홈을 파고 물을 담은 후 이것을 토대로 물의 기울기를 보고 수평을 맞추거나, 물을 채운 가늘고 긴 유리관 내부에 거품을 남겨두고 이 거품의 위치를 보고 수평을 맞추는 기구를 수준기(水準器)라고 한다. 건축 현장 등에서 넓은 면적이 수평을 이루도록 만드는 과정 전체를 수평작업이라고 하는데 건물의 기초를 결정하는 큰 공정이다.
제2장 유체의 성질을 이용하다
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우리 주변에서 사이펀을 응용한 사례 중에는 등유나 물탱크의 물을 교체할 때 사용하는 스포이트나 펌프가 있다. 펌프를 조작하여 부압을 만들고 한 번 물을 빨아들인 후에 관 속에 물이 가득차면 외부에서 에너지를 받지 않아도 물이 계속 흘러간다.
제3장 유체의 움직임을 배우다
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자전거 타이어에 공기를 많이 넣으면 공기의 밀도가 높아지고 압력이 높아지듯이 밀도가 높은 바깥쪽의 압력은 밀도가 낮은 안쪽보다 높아진다. 그 결과, 유체 입자를 바깥쪽에서 안쪽을 향해 미는 힘이 발생한다. 입자가 안쪽을 향해 밀려들어오는 힘과 원심력이 균형을 이룰 때, 이 힘이 구심력이 되고 유체 입자는 곡률을 가진 유선 위에서 안정된 원운동을 계속한다.
제5장 일상 속 현상과 유체의 움직임을 보다
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일반적으로 유체의 유로나 유량을 바꾸려면 밸브 등의 가동 부품이 필요하다. 그리고 운동하는 유체는 주로 유체 자체가 가지고 있는 에너지를 전달하는 것으로 여겨진다. 유체 기기의 역사 중에서 유체의 성질을 이용하여 가동부 없이 컴퓨터의 연산과 마찬가지로 논리연산 기능을 갖춘 유체논리소자(플루이딕스, Fluidics) 연구가 활발하게 이루어졌었다. 기계 제어나 선박, 우주공학 등에서의 응용이 기대되었지만 전자 회로 기술의 비약적인 발전으로 현재 이 연구는 정체되어 있다. 그러나 최근 마이크로머신(Micromachine)이라고 하는 마이크로미터나 나노미터 단위의 크기를 가진 기계를 연구하면서 연산기능과 구동력을 모두 갖춘 액추에이터구동 기기로 다시 주목받는 분야가 되었다.
제6장 유체 기계를 배우다

제1장 유체의 성질을 배우다
001 어떤 형상으로든 자유자재로 변한다 ㆍ 유체의 유동성
002 유동성을 이용한 ㆍ 레미콘 차와 경합금 휠
003 자전거 타이어의 공기압 ㆍ 압력은 왜 생기는 걸까?
004 압력의 단위 파스칼을 알자 ㆍ 단위 기호는 Pa
005 빨대로 마실 때 주스의 움직임 ㆍ 압력에 대한 생각
006 무게부터 힘까지 ㆍ 무게와 힘
007 공기와 물이 발생시키는 압력 ㆍ 기압과 수압
008 열을 가했을 때 팽창되지 않는 물과 팽창되는 공기 ㆍ 열과 부피 변화
009 눌렀을 때 수축되지 않는 물과 수축되는 공기 ㆍ 힘과 부피 변화
010 화재경보기와 가솔린 엔진 ㆍ 부피 변화의 이용
COLUMN 흔치 않은 베이퍼 로크 경험

제2장 유체의 성질을 이용하다
011 물과 공기의 점도 차이 ㆍ 점성
012 힘을 증폭시키는 편리한 구조 ㆍ 파스칼의 원리
013 자동차의 브레이크 장치 ㆍ 파스칼의 원리를 응용
014 물체에 작용하는 유체의 힘 ㆍ 부력
015 물체가 뜨고 가라앉는 현상은 비중으로 결정된다 ㆍ 비중과 부력
016 부력을 사용한 배의 엘리베이터 ㆍ 갑문
017 떨어지는 물방울은 공 모양 ㆍ 표면장력
018 표면장력과 공기의 힘 ㆍ 물방물의 변형
019 액체가 틈새로 스며드는 이유 ㆍ 모세관현상과 젖음
020 액정 패널도 모세관현상 ㆍ 모세관현상의 응용
021 수평을 맞추는 고대로부터의 지혜 ㆍ 수평면과 연통관
022 주택 건축부터 캠핑까지 ㆍ 수준기
COLUMN 거침없이 물 위를 가르는 장뇌 보트

제3장 유체의 움직임을 배우다
023 배를 안정시키는 힘 ㆍ 복원력과 모멘트
024 동력을 사용하지 않는 분수의 구조 ㆍ 높낮이 차이가 갖는 에너지
025 떨어지는 물이 물을 빨아올린다 ㆍ 사이펀
026 액면에 작용하는 힘의 균형 ㆍ 질점의 균형
027 욕조의 소용돌이와 컵의 소용돌이 ㆍ 자유 소용돌이와 강제 소용돌이
028 소용돌이의 조합 ㆍ 랭킨의 조합 소용돌이
029 공기와 물의 흐름을 보기 위한 ㆍ 유선
030 사람이나 자동차도 유체와 동일한 움직임을 보인다 ㆍ 흐름의 개념
031 수도꼭지를 여는 정도와 물의 흐름 ㆍ 층류와 난류
032 물체의 형태가 낳는 저항력 ㆍ 압력과 마찰
033 공기의 여러 가지 저항력 ㆍ 물체에 작용하는 항력
034 흐름을 흐트러뜨려서 저항력을 감소시킨다 ㆍ 박리와 소용돌이
035 저온의 물속에서 발생하는 기포 ㆍ 캐비테이션①
036 ‘물거품’도 사용하기 나름 ㆍ 캐비테이션②
COLUMN 탄산음료와 캐비테이션


제4장 운동하는 유체를 배우다
037 가정의 수도 설비를 배워 보자 ㆍ 물이 흐르는 양
038 흐르는 양은 어디서나 똑같다 ㆍ 연속의 식
039 유체의 에너지 보존 법칙 ㆍ 베르누이의 정리
040 베르누이의 정리를 응용하다 ㆍ 베르누이 효과①
041 유체의 속도와 압력을 이용하다 ㆍ 베르누이 효과②
042 비행기와 자동차의 속도를 측정하다 ㆍ 피토관
043 압력계의 변화에서 속도 변화를 알다 ㆍ 정압과 속도 수두
044 에너지에는 반드시 손실이 있다 ㆍ 손실 수두
045 분출되는 물을 생각하다 ㆍ 유선과 베르누이의 정리
046 물의 흐름과 소방 설비 ㆍ 압력 수두와 손실
047 유체의 세기 ㆍ 유체의 운동량
048 호스로 물 뿌릴 때를 생각하다 ㆍ 운동량 보존의 법칙
049 호스로 세차할 때를 생각하다 ㆍ 충돌하는 유체
050 유체는 갑자기 멈추지 않는다 ㆍ 수격작용
COLUMN 병실에서 실감한 공기의 움직임

제5장 일상 속 현상과 유체의 움직임을 보다
051 구부러지는 유체와 압력 ㆍ 유선곡률의 정리
052 컵 속의 소용돌이를 생각하다 ㆍ 2차 흐름
053 면에 생기는 힘의 작용 ㆍ 작용력과 반작용력
054 기류 조작으로 쾌적한 공기조화 ㆍ 코안다 효과
055 유선곡률과 변화구 ㆍ 마그누스 효과
056 양력의 개념① ㆍ 베르누이의 정리와 양력
057 양력의 개념② ㆍ 유선곡률의 정리와 양력
058 양력의 개념③ ㆍ 반작용력
059 날개 표면의 흐름① ㆍ 코안다 효과와 양력
060 날개 표면의 흐름② ㆍ 순환
061 비행기 주변의 흐름 ㆍ 순환 흐름과 순환
062 유연한 흐름을 만들다 ㆍ 박리와 소용돌이
063 물체 뒷부분의 흐름 ㆍ 카르만의 소용돌이열
064 전선의 울림과 흔들리는 공 ㆍ 소용돌이의 작용력
065 소용돌이 진동과 소용돌이열의 방지법 ㆍ 요철로 소용돌이를 방지
066 나선으로 대형 구조물을 지킨다 ㆍ 긴 대교와 송전선
067 카르만 소용돌이열을 이용하다 ㆍ 소용돌이열의 주파수
COLUMN 취미에서 발견한 형상과 흐름

제6장 유체 기계를 배우다
068 유체에서 생각하는 플루이딕스 ㆍ 유체논리소자
069 노즐과 센서 ㆍ 유체발진자
070 맨홀의 공기 밸브 ㆍ 유체 압송법
071 하수를 내보내는 방법 ㆍ 하수도 설비
072 우물과 온천의 깊이 ㆍ 수중 펌프
073 낮에는 발전, 밤에는 펌프 ㆍ 수차와 펌프
074 거품을 사용한 양수 장치 ㆍ 에어리프트 펌프
075 작은 공간에서 큰 힘을 만들다 ㆍ 유압 기계
COLUMN 사적과 유체소자