밀도가 800kg/m³인 유체 내에서 소리의 전파속도가 800m/sec라면 이 유체의 체적탄성계수는?
- 640kPa
- 800kPa
- 512kMa
- 410GPa
정답과 해설 보기
정답 ③ · 유체 내에서 소리의 전파 속도(c)와 체적 탄성 계수(K)의 관계는 c = √(K/ρ) 로 표현됩니다. 이를 체적 탄성 계수에 대해 정리하면 K = ρ × c² 가 됩니다.
개념 한 쪽
일반기계기사 항력, 양력 — 항력계수 계산·박리·후류·등속 낙하
항력·양력 세트는 「무차원 힘 계산과 현상 판별」이 축이다. 항력·양력 공식, 박리의 원인, 자유와류의 속도 분포가 반복된다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「항력, 양력」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 동력 계산 | 1 | 평판 항력에 필요한 동력 |
| 양력 계산 | 1 | 양력 공식으로 힘 구하기 |
| 와류 판별 | 1 | 자유와류의 속도 분포 고르기 |
뜻
공식부터 잡는다. 항력은 F=½ρAV²Cd, 양력은 L=½ρV²SCL로 구한다 — 밀도·속도 제곱·면적·계수의 곱이다. 속도가 2배가 될 때 힘이 3배가 되었다면 계수는 원래의 3/4로 줄어든 것으로 판정한다. 평판을 밀어내는 데 필요한 동력은 항력에 속도를 곱해 구한다(½ρAV³Cd 꼴).
현상 판별이 둘째 축이다. 박리는 경계층이 역압력 구간에서 벽면에서 떨어지는 현상이다. 물체 뒤에 형성되는 와류 영역을 후류라 한다. 자유와류에서는 반지름에 반비례해 속도가 변하고 베르누이 식으로 압력 분포를 구한다. 원통 주위의 잠재 소용돌이 흐름은 원주 방향 속도가 반지름에 반비례한다. Blasius 해에 따르면 평판의 층류 마찰 항력계수는 레이놀즈 수의 절반 제곱근에 반비례해 점성이 커지면 증가한다. 낙하산은 항력이 무게와 같아지는 등속으로 낙하한다. 구에 작용하는 항력은 항력계수와 정면 면적으로 계산한다.
예제
출제 패턴은 세 가지다. ① 계산 — 항력·양력 공식에 값을 대입하고 계수 변화를 판정한다. ② 현상 — 박리(역압력 구간), 후류의 정의를 고른다. ③ 와류 — 자유와류의 1/r 속도 분포를 적용한다.
대표 기출 3문항
동점성계수가 16×10⁻⁶m²/sec인 공기가 평판 위를 4m/sec로 흐르고 있다. 선단으로부터 40cm되는 곳에서의 경계층 두께는 몇 mm인가?
- 63.2
- 6.32
- 0.632
- 0.00632
정답과 해설 보기
정답 ② · 평판 위 층류 경계층의 두께를 구하는 문제이다. 먼저 해당 위치의 레이놀즈 수를 계산하면 Re_x = Ux/ν = 4 × 0.4 / (16×10^-6) = 1.6/0.000016 = 10^5로서 층류 영역에 해당한다.
층류 경계층 두께는 δ=5x/√(Re_x) 공식을 사용하며, 레이놀즈 수 계산 시 단위 통일과 제곱근 처리가 핵심입니다.
지름 20 cm인 구의 주위에 밀도가 1000 kg/m³, 점성계수는 1.8×10⁻³ Pa·s 인 물이 2 m/s의 속도로 흐르고 있다. 항력곗가 0.2인 경우 구에 작용하는 항력은 약 몇 N인가?
- 12.6
- 200
- 0.2
- 25.12
정답과 해설 보기
정답 ① · 구에 작용하는 항력(Drag Force)은 항력 계수(Cd), 유체 밀도(ρ), 유속(V), 투영 면적(A)을 사용하여 Fd = 1/2 × Cd × ρ × V^2 × A로 계산합니다. 투영 면적 A = π/4 × d^2 = π/4 × (0.2)^2 = 0.0314 m²입니다.
항력 공식 Fd = 1/2 * Cd * rho * V^2 * A에 각 값을 대입하여 계산한다.
자주 묻는 물음
- 박리는 언제 일어나나요?
- 역압력 구간에서 경계층이 벽면을 따르지 못하고 떨어질 때입니다.
- 자유와류에서 속도는 어떻게 변하나요?
- 반지름에 반비례합니다. 중심에서 멀수록 느려집니다.
- 낙하산이 등속으로 떨어지는 이유는?
- 항력이 중력과 평형을 이루기 때문입니다.
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