뉴턴의 점성법칙과 점성계수 이해하기

뉴턴의 점성법칙 점성계수 이해하기

안녕하세요! 지난 포스팅에서 유체의 기본 물성치인 밀도와 단위중량에 대해 알아봤는데요. 오늘은 유체역학에서 절대 빠질 수 없는 핵심 개념인 뉴턴의 점성법칙(Newton’s Law of Viscosity)을 정리해 보겠습니다.

토목기사 시험에서 전단응력 계산 문제나 단위 환산 문제로 자주 출제되는 파트이니 집중해서 확인해 보세요!

1. 점성이란 무엇일까요?

점성은 유체가 흐를 때 내부에서 발생하는 마찰력을 말합니다. 물보다 꿀이 더 천천히 흐르는 이유는 꿀의 점성이 더 크기 때문이죠. 즉, 유체가 흐름에 저항하려는 성질이라고 이해하면 쉽습니다.

2. 뉴턴의 점성법칙 공식

뉴턴은 유체 내 흐름을 방해하는 힘인 전단응력이 유체의 속도 변화율(속도구배)에 비례한다는 사실을 발견했습니다.

 

 

 

 

 

 

이 공식의 핵심은 전단응력과 속도 변화율이 직선적으로 비례한다는 점입니다. 이렇게 이 법칙을 정직하게 따르는 유체를 뉴턴 유체라고 부릅니다. (예: 물, 공기 등)

3. 시험에 꼭 나오는 점성계수의 단위

토목기사 시험에서는 점성계수와 동점성계수의 단위를 묻는 문제가 정말 많이 나옵니다. 단위 환산 실수 방지를 위해 꼭 외워두세요!

4. 온도에 따른 점성의 변화 (중요!)

시험 단골 퀴즈입니다. 온도가 올라갈 때 액체와 기체는 서로 반대로 반응합니다.

* 액체 (물 등): 온도가 올라가면 점성이 감소합니다. (국을 데우면 더 묽어지는 것과 같습니다.)

* 기체 (공기 등): 온도가 올라가면 분자 운동이 활발해져 점성이 증가합니다.

마치며

오늘은 유체의 흐름을 결정짓는 뉴턴의 점성법칙에 대해 상세히 알아봤습니다. 단순히 공식을 암기하는 것을 넘어, 이 법칙이 공학적으로 어떤 의미를 갖는지 한 번 더 짚어보겠습니다.

• ​실무적 관점: 우리가 설계하는 수로의 벽면이나 관로 내벽에서는 유체와 벽면 사이의 마찰(전단응력)이 발생합니다. 이 마찰이 결국 ‘에너지 손실’로 이어지기 때문에, 점성을 정확히 이해하는 것은 효율적인 펌프 설계나 관경 결정의 기초가 됩니다.
• ​학습 팁: 시험에서는 전단응력(\tau)을 구하라는 문제와 함께, 점성계수의 단위를 변환하는 문제가 자주 섞여 나옵니다. 특히 1 Poise = 0.1 Pa × s라는 관계는 문제 풀이 시간을 단축해 주는 핵심 열쇠이므로 반드시 숙지하시길 바랍니다.

​뉴턴의 점성법칙은 유체역학이라는 거대한 성벽을 쌓기 위한 가장 중요한 벽돌 중 하나입니다. 오늘 정리한 공식과 단위들을 잘 소화해 두시면, 뒤에 나올 층류와 난류, 그리고 복잡한 관로 마찰 손실 계산까지 훨씬 수월하게 정복하실 수 있을 것입니다.

 

​공부하시느라 고생 많으셨습니다! 다음 시간에는 유체의 또 다른 성질인 표면장력과 모세관 현상에 대해 재미있게 풀어보겠습니다.