1. 항력 (Drag Force)
ㅇ 유체가 유동 방향으로 물체에 가하는 힘
※ (물체와 유체 간의 유동 현상은 서로 달라 보이나, 상대운동 관점에서는 동일 함)
- 물체가 유체 내 일정 속도로 이동할 때 : 저항력을 받음
. 물체가 유체(공기,물 등)를 지나갈 때, 유체가 물체의 운동을 방해하는 힘
- 정지 물체 주위로 일정 속도의 유체 흐름 있을 때 : 유체가 물체에 힘을 가함
* 통상, 물체에 좌표축을 고정시키고 해석함 (외부 유동, External Flow)
※ 한편, 비행 관련 4가지 힘 : 양력, 중력, 추력, 항력 ☞ 항공우주 용어 참조
2. 항력의 특성
ㅇ 항력 방향
- 정지 유체인 경우 : 물체 면에 수직 방향인 압력 만이 작용
- 유동 유체인 경우 : 유체 점성에 의해 물체 접선방향으로 전단력이 추가로 작용
- 결과적으로, 압력과 전단력이 합쳐진 합력의 성분이,
. 유동 방향과 나란한 성분 => 항력
. 유동 방향에 수직한 성분 => 양력
ㅇ 항력 발생 조건
- 주로, 물체와 유체 간 경계면에서, 상대적인 속도 차이가 존재할 때 발생
- 또한, 유체 내부에서, 서로 다른 속도로 흐르는 층 사이에서도 항력 발생
3. 항력의 응용
ㅇ 항력의 이용 : 낙하산, 파도타기, 꽃가루의 장거리 이동 등
ㅇ 항력의 회피 : 자동차,비행기 등 이동체, 바람에 대한 구조물 등
4. 항력에 대한 경험식
ㅇ 항력은, 유체 밀도,상대속도,크기,형상,표면거칠기,점성 등과 관련됨
[# F_D = \frac{1}{2} ρ v^2 C_D A #]
- {#F_D#} : 항력 [N]
- {#ρ#} : 유체 밀도 [㎏/㎥]
- {#v#} : 유체,고체 간 상대 속도 [m/s]
- {#C_D#} : 항력 계수 [무 차원]
. 운동하는 물체에 작용하는 유체 저항의 영향을 계수화
- {#A#} : 상대 속도에 수직한 단면적 [㎡]
* 원래, 영국 물리학자 Rayleigh(1842~1919)에 의해 유도됨
ㅇ 때론, 더 단순하게, 항력이 속도에 단순 비례 또는 속도의 제곱에 비례한다고 가정하기도 함
[# F_D = γ v #]
- {#γ#} : 항력 계수 [㎏/s] ☞ 점성제동계수 참조
[# F_D = γ v^2 #]
- {#γ#} : 집중 항력 계수 (lumped drag coeeficient) [㎏/m]
* 주로, 실험적으로 얻어짐
5. 항력의 종류
ㅇ 마찰 항력 (Skin Friction Drag) : 표면의 거칠기나 점성에 의한 저항
- 유체와 물체 표면 사이의 점성 효과에 의해 발생
- 표면이 거칠거나 유속이 빠를수록 커짐
- 주로, 경계층에서 발생하며, 유선형 물체에서 중요한 항력.
ㅇ 형상 항력 (Form Drag) / 압력 항력 (Pressure Drag) : 물체의 형상(모양)에 따라 발생하는 저항
- 물체의 모양에 의해 생기는 항력 (면적을 작게 만들수록 유리)
- 운동 방향에 수직 방향의 면에서 발생
- 유체가 물체를 지나면서 압력 차이가 생겨 발생
- 둥근(블런트) 또는 각진 물체에서 두드러짐
ㅇ 유도 항력 (Induced Drag) : 양력 생성 과정에서 부수적으로 발생
- 주로, 날개가 양력을 생성할 때 발생
- 날개 끝에서 생기는 와류(Vortex) 때문에 발생
- 양력이 클수록 유도 항력도 커짐
- 비행기 날개 설계에서 중요한 요소
ㅇ 파(波) 항력 (Wave Drag) : 음속 또는 초음속으로 비행할 때 발생
- 충격파로 인해 발생하는 저항
- 마하수(Mach number)가 클수록 파 항력 증가
- 초음속 항공기에서 중요한 고려 요소