항력 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
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[[유체동역학]]에서 '''항력'''<ref>한국물리학회 물리학용어집 https://www.kps.or.kr/content/voca/search.php?page=3&et=en&find_kw=drag</ref>(抗力, drag, 끌림, 저항, 저항력)은 ‘물체가 유체 내를 움직일 때 이 움직임에 저항하는 힘’이다.

항력은 [[마찰력]]과 [[압력]]으로 구분된다. 마찰력은 물체의 표면에 평행한 방향으로 작용하며, 압력은 물체의 표면에 수직한 방향으로 작용한다.

유체 내에서 움직이는 고체 물체의 경우, 항력은 ‘유체의 유동과 동일한 방향으로 작용하는 모든 [[유체역학]]적 힘의 합’이다. 따라서 항력은 물체의 움직임을 방해하는 힘이다. [[항공기]]에서 [[추력]]이 필요한 것은 바로 이 항력이라는 힘을 극복하고 나아가기 위해서이다. 유체 유동의 방향에 수직으로 작용하는 힘은 [[양력]](lift)이라고 한다.

물체에 대한 항력은 [[무차원 수]]인 '''[[항력 계수]]'''(Cd, drag coefficient, coefficient of drag)로 나타낼 수 있으며, '''항력 방정식'''을 사용해 계산할 수 있다. 항력 계수를 상수라고 가정한다면, ''항력은 속도의 제곱에 비례''한다.

== 항력 방정식 ==
[[파일:Flow plate perpendicular.svg|섬네일]]
'''항력 방정식'''은 물체가 유체 내에서 움직일 때 작용되는 항력을 계산하는 식으로서, 다음과 같다.
:<math>
{\mathbf F}_d = - {1 \over 2} \rho v^2 A C_d {\hat \mathbf v}
</math>
여기서, 우측의 - 부호는 항력이 물체의 동력과 반대 방향으로 작용하는 힘을 나타낸다 (순수한 항력 계수를 나타낼 때는 - 부호를 쓰지 않는다)

여기서,
:<math> {\mathbf F}_d </math>는 항력
:<math> \rho </math>는 유체의 [[밀도]]
:<math>
v
</math>는 유체에 대한 물체의 [[상대 속도]](<math>
\mathbf v
</math>)의 속력
:<math> A </math>는 기준 면적
:<math> C_d </math>는 [[항력 계수]]
:<math> {\hat \mathbf v} </math>는 속도의 방향을 나타내는 [[단위 벡터]]이다. (앞에 붙은 음수 기호는 항력이 이 속도 벡터의 반대 방향으로 작용함을 나타낸다)

기준 면적 <math> A </math>는 물체를 물체의 운동 방향에 수직한 평면에 투영한 면적과 관계된다. 같은 물체에 대해서도 다른 기준 면적이 주어질 때가 있는데, 이 때에는 각각의 기준 면적에 대한 항력 계수가 각각 주어져야 한다. 날개에 대해서는, 기준 면적은 전방 면적(frontal area)이 아닌 plane area이다.

항력 계수는 무차원 상수이고, 예를 들면 자동차에 대해서는 0.25 ~ 0.45의 값을 가진다.

==항력 극복에 필요한 동력==
항력을 극복하기 위한 동력은 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다.
:<math>
P_d = {\mathbf F}_d \cdot {\mathbf v} = {1 \over 2} \rho v^3 A C_d
</math>

위 식을 보면, ''항력을 극복하기 위한 동력이 속력의 3제곱에 비례''함을 알 수 있다.
예를 들어, 고속도로에서 80 km/h로 달리는 자동차가 공기의 항력을 극복하는 데에 7.5 kW의 동력이 필요하다고 하면, 같은 차가 160 km/h로 달린다면 60 kW라는 동력이 필요하게 된다.

항력 방정식은 근사식일 뿐이며, 어떤 경우에 있어서는 오차가 클 수도 있는 식이라는 점에 유의하여야 한다. 따라서 이 식을 사용하기 위한 가정을 할 때는 주의를 기울여야 한다.

==스토크스의 법칙==
{{본문|스토크스의 법칙}}

위의 항력 방정식은 일반적인 경우에 대한 식이다. 특수한 경우로서 물체의 크기가 매우 작거나 속도가 매우 느린 경우(레이놀즈 수가 <math> Re < 1 </math>)에는 스토크스의 법칙이라 불리는 식을 적용할 수 있다. 항력방정식에서와 달리, 스토크스의 법칙에서는 항력이 속도에 비례한다.

:<math>
{\mathbf F}_d = -b {\mathbf v}
</math>

여기서,
:<math> b </math>는 유체의 성질 및 물체의 크기와 관계된 상수

:<math> {\mathbf v} </math>는 물체의 속도이다.

물체가 구형(sphere)인 특수한 경우에는, 항력계수를 다음과 같이 구할 수 있다.
:<math>
b = 6 \pi \eta r
</math>

여기서,
:<math> r </math>은 입자의 스토크스 반경

:<math> \eta </math>는 유체의 [[점성 계수]]이다.

== 같이 보기 ==
* [[경계층]]
* [[낙하산]]
* [[받음각]]
* [[부가 질량]](Added mass)
* [[스톨]]
* [[종단속도]]
* 수
** [[레이놀즈 수]]
** [[쿨리간-카펜터 수]](Keulegan–Carpenter number)
** [[항력 계수]]
* 방정식
** [[모리슨 방정식]](Morison equation)
** [[베르누이 방정식]]
** [[항력 방정식]](Drag equation)
* 법칙
** [[스토크스의 법칙]]
* 학문
** [[공기역학]]
** [[선박공학]]
** [[유체역학]]
** [[자동차 공학]](Automotive engineering)
** [[항공공학]]
* 효과
** [[마그누스 효과]]
** [[코안더 효과]](Coandă effect)
* 힘
** [[공기력]](Aerodynamic force)
** [[압력]]
*** [[램 압력]](Ram pressure)
** [[항력]]
** [[유해 항력]](기생 항력, Parasitic drag)

== 각주 ==
<references />

{{전거 통제}}

[[분류:공기역학]]
[[분류:유체동역학]]
[[분류:유체역학]]
[[분류:항공공학]]
[[분류:힘]]