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2021년03월07일 60번

[기계유체역학]
Stokes의 법칙에 의해 비압축성 점성유체에 구(sphere)가 낙하될 때 항력(D)을 나타낸 식으로 옳은 것은? (단, μ : 유체의 점성계수, a : 구의 반지름, V : 구의 평균속도, CD : 항력계수, 레이놀즈수가 1보다 작아 박리가 존재하지 않는다고 가정한다.)

  • ① D = 6πaμV
  • ② D = 4πaμV
  • ③ D = 2πaμV
  • ④ D = CDπaμV
(정답률: 55%)

문제 해설

Stokes의 법칙은 비압축성 점성유체에서 작은 입자가 움직일 때 항력을 나타내는 법칙이다. 이 법칙에 따르면 작은 입자의 항력은 입자의 속도, 유체의 점성계수, 입자의 크기에 비례한다. 또한, 입자의 속도가 작을수록 항력은 더욱 작아진다.

구가 낙하하는 경우, 구의 크기가 작고 속도가 상대적으로 작기 때문에 Stokes의 법칙이 적용된다. 따라서 항력(D)은 구의 반지름(a), 유체의 점성계수(μ), 구의 평균속도(V)에 비례한다. 이를 수식으로 나타내면 D = 6πaμV가 된다.

이 식에서 6π는 구의 형태에 따른 상수이며, 이를 Stokes 상수라고 한다. 따라서, 옵션 중에서 D = 6πaμV가 옳은 것이다.

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