SCIENCE 3D | 공기 · 물의 저항 (유체 저항과 점성)

무슨 일이 일어났나

유체 저항(항력)은 공기나 물 속을 움직이는 물체가 받는, 움직임을 거스르는 힘입니다. 점성(끈적임)은 유체가 스스로 흐름을 막는 성질로, 이 저항이 생기는 한 원인입니다.

NASA 에 따르면 항력은 공기 밀도와 빠르기의 제곱에 따라 커집니다. 시뮬레이터에서 가벼운 공은 1 초 뒤 7.21 m/s 일 때 저항이 20.0 mN 이고, 끝 빠르기 9.17 m/s 에서는 32.4 mN 으로 무게와 맞먹습니다.

같은 크기라도 10 배 무거운 공은 끝 빠르기가 29.2 m/s 로 커서, 50 m 를 3.51 초 만에 떨어집니다(가벼운 공은 6.11 초). 공기 속에서는 크기와 모양이 같아도 무게가 결과를 바꿉니다.

NIST 값으로 1 기압 물의 점성은 20 °C 에서 0.0010016 Pa·s, 10 °C 에서 0.0013059 Pa·s 로 차가운 물이 더 끈적입니다. 관성력 ÷ 점성력인 레이놀즈 수가 클수록 끈적임보다 관성이 흐름을 좌우하는데, 이 공은 끝 빠르기에서 26,100 입니다.

📸 진짜 모습

퍼서비어런스 로버를 화성에 내려 줄 초음속 낙하산이 에임스 연구 센터 풍동에서 시험받는 모습입니다.
출처: NASA/JPL-Caltech/Ames · 퍼블릭 도메인 · NASA 그림 창고 원본 ↗

💡 생활 속 예시

자전거를 빨리 달릴수록 얼굴에 닿는 바람이 훨씬 세게 느껴집니다 — 빠르기가 2 배면 공기 저항은 4 배가 됩니다.
겨울에 바람이 전깃줄이나 나뭇가지를 스치며 내는 낮고 길게 우는 소리는, 줄 뒤로 소용돌이가 번갈아 떨어져 나가며 생기는 압력 변화입니다(NASA).
꿀은 물보다 훨씬 끈적여서(점성이 커서), 숟가락으로 저으면 손에 묵직한 저항이 느껴집니다.

🙅 오해 깨기오해 모음 보기

공기 저항은 빠르기에 그냥 비례한다 — 2 배 빠르면 2 배.
NASA 는 항력이 공기 밀도와 빠르기의 «제곱» 에 따라 달라진다고 설명합니다. 빠르기가 2 배면 항력은 약 4 배가 됩니다. 출처
물의 끈적임(점성)은 온도와 상관없이 늘 같다.
NIST 자료에서 1 기압 물의 점성 계수는 10 °C 에서 0.0013059 Pa·s, 20 °C 에서 0.0010016 Pa·s 로, 차가울수록 더 끈적입니다. 출처

누가 왜 찾았나

NASA 에 따르면 점성을 아예 빼고 계산한 이상적인 흐름에서는 원기둥이 받는 항력이 0 이 되는 이상한 결과가 나오는데, 이 문제를 연구한 옛 수학자의 이름을 따 «달랑베르의 역설» 이라 부릅니다. 실제 유체에는 늘 조금의 점성이 있어 물체 뒤에 소용돌이가 생기고, 이 소용돌이가 항력을 만듭니다. 그래서 항력 계수는 지금도 거의 늘 풍동 실험으로 정합니다(NASA).

확인된 값

항력은 공기 밀도와 빠르기의 제곱에 따라 커진다: ∝ ρ · V² 출처
항력 식 — 항력 = 항력 계수 × 밀도 × 빠르기² × 넓이 ÷ 2: D = Cd · ρ · V² · A / 2 출처
항력 계수는 거의 늘 풍동 실험으로 정한다: 풍동 실험 출처
레이놀즈 수 — 관성력 ÷ 점성력: 관성력 / 점성력 출처
20 °C · 1 기압 물의 점성 계수: 0.0010016 Pa·s 출처
10 °C · 1 기압 물의 점성 계수 (차가울수록 끈끈함): 0.0013059 Pa·s 출처
바다 높이 표준 날 공기 밀도 (15 °C): 1.229 kg/m³ 출처
바다 높이 표준 날 공기의 점성 계수: 0.0000173 Pa·s 출처
바람이 전깃줄 · 나뭇가지를 스칠 때 나는 소리 (에올리안 톤): 에올리안 톤 출처
점성을 뺀 흐름에서 항력이 0 이 되는 결과 — 달랑베르의 역설: 달랑베르의 역설 출처

공기 · 물의 저항 (유체 저항과 점성)