항력 (Drag Force) 계산 및 항력 계수

공기나 물과 같은 유체에 의한 저항을 항력 (Drag) 이라고 한다. 물체의 움직임과 반대 방향으로 작용하며, 고체 물체와 유체 사이의 상대 속도에 의해 생성된다.

항력은 공기의 밀도, 속도, 공기의 점도와 압축성 (compressibility), 물체의 크기와 모양, 흐름 방향에 대한 물체의 기울기에 따라 달라진다.

아래 항력 방정식은 유체를 통한 이동으로 인해 물체에 작용하는 항력을 계산하는 데 사용할 수 있다.

 

(식 1) Fd = ½ * Cd * A * ρ * V²

 

여기서,

Cd : 항력 계수 (구형 Cd = 0.47 , 긴 원통 Cd = 0.82)

ρ : 유체의 밀도 (kg/m³)

V : 물체의 속도 (m/s)

A : 물체의 운동에 수직인 방향으로 물체에 투영된 단면적 (m²)

Fd : 항력 (1 N = 1 kg-m/s²)

이다.

 

항력 계수는 일반적으로 항력과 면적을 측정한 후 나눗셈을 수행하여 계수를 생성함으로써 실험적으로 결정하는 무차원 상수값이다. 유체의 밀도, 물체의 투영 단면적, 속도에 따라 영향을 받는다. 주로 정면 영역의 면적과 모양으로 인한 유체 흐름의 교란에 의해 결정되며, 교란이 많을수록 항력 계수는 큰 값을 가진다.

 

표 1. 레이놀즈 수가 약 10,000인 유체의 항력 계수

 

밀도 (kg/m3) :

속도 (m/s) :

항력 계수 :

단면적 (m2) :

     

Drag Force (N) :