몽키로 전력 변환하기

골프공을 자세히 보신적이 있나요?

골프공을 보면 움푹파인 홈들이 있는데 이를 딤플이라고 합니다.

이러한 딤플에 의해 골프공이 멀리 나가게 되는데,

오늘은 왜 골프공이 딤플에 의해 멀리나아가게 되는지 유체역학의 원리를 적용하여 설명하도록 하겠습니다.

결론먼저 쓰면

- 딤플은 유체의 흐름을 난류로 만든다.

- 난류에 의해 박리점이 공 뒤로 간다.

- 이로인해 형상항력을 줄일 수 있다.

이러한 결론을 내기 위해 몇가지 유체역학의 이론에 대해 설명하면

먼저 유체의 흐름에는 층류와 난류가 있습니다

층류는 층층히 나뉘어져가서 층류고, 난류는 규칙없이 난잡하게 유동합니다.

이러한 층류와 난류를 정의하는 무차원의 수를 레이놀즈수(Reynolds number)라고 합니다

각각의 레이놀즈수는

층류 Re < 2300

난류 Re > 4000

입니다

층류와 난류형태로 흐르는 유체가 고체를 만나면 고체의 벽면을 따라 경계층(boundary layer)을 형성하고

점성효과(viscous)를 받는 경계층 내부구역과 점성효과를 안받는 경계층 외부구역(inviscous)으로 나뉩니다

이러한 경계층의 기준은 초기유동속도의 99프로가 되는 곳으로 아래 유동프로파일(유동속도)그래프를 보면 난류가 층류보다 가파르게 속도가 증가함을 볼 수 있습니다

즉 표면에서 수직방향으로 올라갈 때 난류가

초기 유동속도의 99프로에 더 빠르게 근접하므로 경계층 영역의 길이가 짧게 형성됩니다.

경계층의 두께의 경우는 난류가 층류이후에 발생함으로 난류가 더 두껍게 나타납니다.

경계층 두께 는

층류 < 난류 가 됨을 알 수 있습니다.

경계층의 영향을 받는 길이는

층류>난류

다음으로 알아야 할 이론은 박리입니다.

박리란 유체가 고체면을 만났을 때 점성효과로 인해 속도가 줄어 고체의 속도를 따라가지 못해 떨어져 나가는 현상입니다.

박리의 특징은 순압력구배(dp/dx < 0) 에서 역압력구배(dp/dx > 0)로 넘어가는 지점으로 가장 압력이 낮은 지점입니다.

위 사진과 같이 난류일경우 박리점이 뒤에 있음을 볼 수 있습니다.

난류이면 왜 박리점이 뒤로 가는가?

여기서 Re 수와 C_D의 관계를 나타낸 그래프가 아래에 있습니다.

위 그래프를 보면

난류가 층류보다 C_D값이 낮기 때문에 Drag force를 적게 받는다는 것을 알 수 있습니다.

정리하면

경계층의 길이 층류 >난류 로 난류가 viscous영향을 적게 받고 C_D 값이 낮기 때문에 난류의 박리가늦게 발생합니다 .

이러한 낮은압력의 박리점이 뒤로감으로서 압력차에 의한 형상항력을 받는 공의 면적이 줄어 더 멀리 나갈 수 있는 것 입니다.

결론

- 딤플은 유체의 흐름을 난류로 만든다.

- 난류에 의해 박리점이 공 뒤로 간다.

- 이로인해 형상항력을 줄일 수 있다.

이로인해 딤플이 있는 골프공이 멀리나가게 됩니다