질문 요약
선형운동량방정식 유도 중 정상상태에서 밀도를 시간에 대해 0으로 미분한 것은 이해되는데, 속도벡터를 시간으로 미분한 것이 0이 아닌 이유에 대해 궁금합니다.
답변 요약
정상상태는 시간에 따른 상태량의 변화가 없습니다. 시간에 따른 밀도의 값이 0이 되는 것은 비압축성 가정으로 인해입니다. 또한, 두 번째 gradient term은 질량보존의 법칙에 의해 0이 됩니다. 정상상태와 가정한 내용을 혼동하기가 쉽습니다. 천천히 다시 한번 살펴봐주시기 바랍니다.
Unsplash 추천 이미지 (키워드 : linear momentum equation, induction, steady state, density, time derivative, velocity vector, dynamics, lecture, incompressible, law of mass conservation )
[유체역학] 선형운동량방정식에서의 정상상태와 밀도 미분에 대한 궁금증
선형운동량방정식의 유도과정에서 정상상태에 대한 이해에 대한 질문이 많이 제기됩니다. 특히, 정상상태를 가정했을 때 밀도를 시간에 대해 미분한 것은 0으로 되는 이유와 속도벡터를 시간으로 미분한 것은 왜 0이 되지 않는지에 대한 궁금증이 있습니다. 이에 대한 명확한 설명을 통해 유체역학에 대한 이해를 돕고자 합니다.
먼저, 정상상태(Steady State)란 유체의 흐름이 시간에 따라 변하지 않는 상태를 말합니다. 이는 유체의 속성 값이 시간에 대하여 일정한 값을 유지하고, 유체 내의 모든 점에서의 속성이 시간이 지나도 변하지 않음을 의미합니다. 이와 같은 상황에서는 유체의 밀도, 압력, 온도 등이 시간에 따라 변하지 않기 때문에, 시간에 대한 미분이 0이 됩니다.
선형운동량방정식에서의 밀도에 대한 시간 미분이 0이 되는 것은 바로 이러한 정상상태를 의미합니다. 즉, 유체의 밀도가 시간에 따라 변화하지 않으므로, 시간에 대한 밀도의 변화율은 0이 됩니다. 그러나 속도벡터를 시간으로 미분한 것이 0이 되지 않는 이유는 속도가 위치에 따라 변할 수 있기 때문입니다. 속도는 유체의 다른 점에서 다를 수 있으며, 이러한 공간적 변화는 시간에 따라 변하지 않을 수 있음에도 불구하고 존재할 수 있습니다.
이를 수학적으로 설명하면, 정상상태에서 유체의 밀도 ρ는 시간 t에 대해 ∂ρ/∂t = 0이 됩니다. 반면, 속도 벡터 v는 시간에 대해 일정하지만 공간적으로 변할 수 있으므로, 속도 벡터의 시간 미분 ∂v/∂t는 일반적으로 0이 아닙니다. 이는 유체의 흐름이 공간적으로는 변할 수 있지만, 시간이 지나면서 그 흐름 패턴 자체는 동일하게 유지됨을 의미합니다.
또한, 선형운동량방정식에서 나타나는 다른 용어들, 예를 들어 비압축성 가정은 유체의 밀도가 일정하다는 것을 의미하고, 질량보존의 법칙은 유체의 질량이 시간에 따라 변하지 않는다는 것을 표현합니다. 이러한 가정과 법칙들은 유체역학을 이해하는 데 필수적인 요소들입니다.
정리하자면, 선형운동량방정식을 유도할 때 정상상태를 가정함으로써 밀도에 대한 시간 미분을 0으로 두지만, 속도벡터에 대한 시간 미분은 공간적 변화를 고려해야 하기 때문에 일반적으로 0이 아닙니다. 이러한 차이점을 명확히 이해하는 것은 유체역학을 공부하는 데 매우 중요합니다.
이 설명이 유체역학, 특히 선형운동량방정식의 정상상태에 대한 이해에 도움이 되기를 바랍니다. 유체역학의 다양한 개념과 원리에 대해 더 깊이 탐구해보고 싶다면, 관련 강의나 자료를 찾아보는 것도 좋은 방법일 것입니다.
- 선형운동량방정식: 유체의 운동량 변화를 기술하는 방정식
- 정상상태: 시간에 따른 유체의 상태 변화가 없는 상태
- 밀도 미분: 유체의 밀도 변화율을 시간에 대해 나타냄
- 속도벡터: 유체의 속도를 나타내는 벡터, 공간적 변화 가능성을 포함
- 비압축성: 유체의 밀도가 일정함을 가정
- 질량보존법칙: 시간에 따라 유체의 질량이 보존됨을 의미하는 법칙
유니스터디 바로가기 : https://www.unistudy.co.kr/megauni.asp
학습Q&A 바로가기 : https://www.unistudy.co.kr/community/qna_list.asp
글
0 댓글