단위조작이론및실험1 단일구의침강 예비레포트

목차

1. 실험 목적
2. 실험 이론
3. 실험장치 및 시약
4. 실험방법
5. 참고 문헌

본문내용

1. 실험 목적
중력 하에서 구가 정지 유체에서 침강할 때 일어나는 현상을 이해하고 Drag coefficient와 Reynolds Number와의 관계를 알아본다.

2. 실험 이론
2.1 항력(Drag Force)의 기본 개념
항력(Drag Force)이란, 유체가 운동하는 물체에 작용하는 저항력을 말한다. 뉴턴 운동 제 3법칙에 의해서 유체 내의 고체에 동일한 반대 성분의 순힘이 작용한다. 고체벽이 유체 흐름방향과 수평으로 놓여 있을 때는 항력은 오직 벽전단으로만 존재한다. 그러나 잠겨 있는 고체가 유체흐름 방향과 각을 이루면 유체흐름 방향으로 일어나는 벽 전단은 항력에 작용이 된다.

유체 내에서 물체가 움직일 때 발생하는 항력은 크게 두 가지로 나눌 수 있다:
● 벽 전단에 의한 항력(Wall drag): 유체와 물체 표면 사이의 마찰에 의해 발생
● 형태항력(Form drag): 압력 차이에 의해 발생하는 항력

그림 1에서 "p cos θ dA"로 표시된 벡터는 형태 항력(form drag)을, "τw dA"로 표시된 벡터는 벽면 전단응력에 의한 힘을, "τw sin θ dA"로 표시된 벡터는 벽면 항력(wall drag)을 나타낸다. 퍼텐셜 흐름(τw=0)인 경우 벽면 항력은 없으며, 유체흐름 방향으로의 압력항력은 흐름 방향으로 작용하는 힘과 같아지므로 형태항력의 총합은 0이 된다. 즉, 퍼텐셜 흐름에서는 순 항력이 없다.

2.2 항력계수(Drag Coefficient)
Isaac Newton은 Drag force를 체계적으로 연구하였으며, 구에 작용하는 항력을 다음과 같이 나타내었다:

참고자료

· "단일 구의 침강 속도" (2025). 단위조작이론및실험1 실험노트(3-1), 8-12.
· Pruppacher, H. R., & Steinberger, E. H. (1969). 수분 포화 공기 중에서 떨어지는 작은 물방울의 종단 속도와 항력 결정에 관한 연구. Journal of the Atmospheric Sciences, 26(5), 1066-1072.
· Stokes, G. G. (1851). 유체의 내부 마찰이 진자의 움직임에 미치는 영향에 관한 연구. Transactions of the Cambridge Philosophical Society, 9, 8-106.
· Mahajan, U. (2022). 스토크스 항력 공식의 유도. 플로리다 대학교, 기계항공공학과.
· Zhao, X., Gao, Y., & Wang, Y. (2022). 특정 작업용 마이크로머신 설계를 위한 항력의 정량적 분석. Micromachines, 13(7), 1147.