수리학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 10개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

정수압

깊이에 따른 압력: p = ρgh
수직 벽에 작용하는 힘: F = ρg·h_c·A
압력 중심: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
직사각형: I_c = bH³/12

연속 방정식과 베르누이

연속 방정식: A₁v₁ = A₂v₂
베르누이 방정식: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
유량: Q = A·v
원의 넓이: A = πd²/4

관 마찰과 손실 수두

레이놀즈 수: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
유동 영역: Re ≈ 2000 미만은 층류, Re ≈ 4000 초과는 난류
평균 유속: V = Q/A, A = π·D²/4
다르시–바이스바흐 식: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
부차 손실: h_m = ΣK·V²/(2g)
대표적인 K 값: 입구 0.5, 출구 1.0, 90° 엘보 ≈ 0.3
압력 강하: Δp = ρ·g·h_f
두 개의 개방 저수지: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
자유 유출: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

펌프와 펌프 동력

수동력: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
축동력: P_shaft = P_h/η_pump
전기 입력 동력: P_el = P_shaft/η_motor
펌프 양정: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
시스템 손실: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

개수로 흐름(매닝)

매닝 공식: V = (1/n)·R^2/3·S^1/2
유량: Q = A·V
동수 반경: R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
직사각형: A = b·y, P = b + 2y
사다리꼴(측면 경사 z:1): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
원형 관, 만수 또는 반수: R = D/4
필요 경사: S = (n·Q/(A·R^2/3))²

2연습 문제

1.정수압보통

폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 2 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 2 mH = 2 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

2.정수압어려움

폭 1.5 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 2.5 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 2.5 mH = 1 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

3.연속 방정식과 베르누이보통

큰 열린 탱크의 물이 지름 40 mm의 예연 오리피스로 빠져나간다. 수위는 오리피스보다 5 m 위로 유지되고 유량 계수는 0.62이다. 유량 Q을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d = 40 mmh = 5 mC_d = 0.62g = 9.81 m/s²

Q = L/s

4.연속 방정식과 베르누이어려움

안지름 25 mm의 호스로 열린 탱크의 물을 사이펀으로 빼낸다. 호스의 가장 높은 점 C는 수면보다 1 m 위에 있고, (대기에 열린) 출구는 수면보다 5 m 아래에 있다. 손실을 무시하고 g = 9.81 m/s²로 하시오. 유량 Q을(를) 구하시오.

d = 25 mmz_C = +1 mz₂ = −5 mg = 9.81 m/s²

Q = L/s

5.관 마찰과 손실 수두보통

물이 길이 100 m, 안지름 300 mm인 관을 50 L/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.015, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 h_f을(를) 구하시오.

Q = 50 L/sL = 100 mD = 300 mmf = 0.015g = 9.81 m/s²

h_f = m

6.관 마찰과 손실 수두어려움

길이 200 m, 안지름 250 mm(다르시 마찰 계수 f = 0.015)인 관이 개방 저수지에서 나와 대기 중으로 자유 분류로 유출된다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 3개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 2)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 80 L/s를 얻으려면 저수지 수면이 관 출구보다 얼마나 높아야 하는가(H)?

Q = 80 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 2

H = m

7.펌프와 펌프 동력보통

펌프가 양정 78 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 20 L/s 송출한다. 펌프 효율은 80%이고, 펌프를 구동하는 전동기의 효율은 95%이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 전동기가 소비하는 전력 P_el을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 20 L/sH = 78 mη_pump = 80%η_motor = 95%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

8.펌프와 펌프 동력어려움

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 15 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 18 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 100 m, 안지름 100 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.015이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 6(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 위 탱크는 밀폐되어 있고 수면 위 공기의 게이지 압력은 300 kPa이다. 펌프가 더해야 하는 양정 H을(를) 구하시오.

Q = 15 L/sΔz = 18 mL = 100 mD = 100 mmf = 0.015ΣK = 6p_tank = 300 kPa

H = m

9.개수로 흐름(매닝)보통

사다리꼴 벽돌 쌓기 수로의 바닥 폭은 4 m, 측면 경사는 1.5:1(수평:연직)이다. 물이 수심 2.3 m로 등류로 흐른다. 매닝 n = 0.015, 수로 바닥 경사는 S = 0.004이다. 유량 Q을(를) m³/s 단위로 구하시오.

b = 4 my = 2.3 mz = 1.5n = 0.015S = 0.004

Q = m³/s

10.개수로 흐름(매닝)어려움

폭 2.5 m인 직사각형 풀로 덮인 흙 수로가 수심 1.1 m의 등류로 2 m³/s를 흘려야 한다. 매닝 n = 0.03. 필요한 수로 바닥 경사 S을(를) m/m 단위로 구하시오.

Q = 2 m³/sb = 2.5 my = 1.1 mn = 0.03

S = m/m

3용액

1.정수압

답: F = 176.6 kN

평면에 작용하는 정수압: F = ρ·g·y_c·A. 이 힘은 압력 중심 y_cp = y_c + I_c/(y_cA)에 작용하며, 이는 항상 도심 아래에 있습니다.

도심 깊이와 면적

y_c = d + H/2 = 2 + 2/2 = 3 m

A = H·b = 2·3 = 6 m²

합력

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·3·6 = 176.6 kN

답

F = 176.6 kN

2.정수압

답: F = 44.15 kN

평면에 작용하는 정수압: F = ρ·g·y_c·A. 이 힘은 압력 중심 y_cp = y_c + I_c/(y_cA)에 작용하며, 이는 항상 도심 아래에 있습니다.

도심 깊이와 면적

y_c = d + H/2 = 2.5 + 1/2 = 3 m

A = H·b = 1·1.5 = 1.5 m²

합력

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·3·1.5 = 44.15 kN

답

F = 44.15 kN

3.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 7.717 L/s

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

이상 분류 속도

√(2gh) = √(2·9.81·5) = 9.905 m/s

실제 유량

유량 계수는 분류의 수축과 가장자리의 마찰을 반영합니다.

Q = C_d·A·√(2gh) = 0.62·0.001257·9.905 = 0.007717 m³/s = 7.717 L/s

답

Q = 7.717 L/s

4.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 4.862 L/s

호스 안의 유속

수면과 출구는 모두 대기에 열려 있으므로 압력 항이 상쇄됩니다.

v = √(2g·5) = √(2·9.81·5) = 9.905 m/s

유량

Q = A·v = 0.0004909·9.905 = 0.004862 m³/s = 4.862 L/s

답

Q = 4.862 L/s

5.관 마찰과 손실 수두

답: h_f = 0.1275 m

관로 유동: 레이놀즈 수 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ로 층류(Re 약 2000 미만)와 난류(약 4000 초과)를 구분합니다. 관을 따라 생기는 마찰은 다르시–바이스바흐 손실 수두 h_f = f·(L/D)·V²/(2g)를 일으킵니다. 이음쇠, 밸브, 입구, 출구는 부차 손실 h_m = ΣK·V²/(2g)를 더합니다. 두 개방 저수지 수면 사이에서는 에너지 방정식이 Δz = h_f + h_m을 주며, 여기에는 출구 손실 K = 1이 포함됩니다.

평균 유속

A = π·0.3²/4 = 0.07069 m²

V = Q/A = 0.05/0.07069 = 0.7074 m/s

속도 수두

V²/(2g) = 0.7074²/(2·9.81) = 0.0255 m

다르시–바이스바흐 식

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(100/0.3)·0.7074²/(2·9.81) = 0.1275 m

답

h_f = 0.1275 m

6.관 마찰과 손실 수두

답: H = 2.22 m

속도

V = Q/A = 0.08/0.04909 = 1.63 m/s

V²/(2g) = 0.1354 m

손실 계수

f·L/D = 0.015·200/0.25 = 12

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 2 = 3.4

에너지 방정식

출구 분류는 여전히 속도 수두를 가지고 있습니다. 손실은 아니지만 공급되어야 합니다.

H = (1 + 12 + 3.4)·0.1354 = 2.22 m

답

H = 2.22 m

7.펌프와 펌프 동력

답: P_el = 20.14 kW

펌프 동력: 물에 주어지는 동력은 수동력 P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp입니다. 펌프에 손실이 있으므로 축은 이보다 많이 전달해야 합니다: P_shaft = P_h/η_pump, 그리고 전동기는 P_el = P_shaft/η_motor를 소비합니다. 펌프 양정 H는 에너지 방정식에서 나옵니다: 실양정 + 압력 수두 + 모든 마찰 손실과 부차 손실.

수동력

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.02·78 = 15.3 kW

축동력

P_shaft = 15.3/0.8 = 19.13 kW

전기 입력 동력

P_el = 19.13/0.95 = 20.14 kW

답

P_el = 20.14 kW

8.펌프와 펌프 동력

답: H = 52.49 m

속도

V = Q/A = 0.015/0.007854 = 1.91 m/s

V²/(2g) = 0.1859 m

손실 수두

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 6)·0.1859 = 3.904 m

압력 수두

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9.81) = 30.58 m

펌프 양정

두 수면 모두 사실상 정지해 있으므로 속도 수두 항은 없습니다.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 18 + 30.58 + 3.904 = 52.49 m

답

H = 52.49 m

9.개수로 흐름(매닝)

답: Q = 90.15 m³/s

매닝 공식(SI): 개수로의 등류에서 V = (1/n)·R^2/3·S^1/2, Q = A·V이며, n은 조도 계수, S는 수로 바닥 경사(m/m), R = A/P는 동수 반경, 즉 유수 단면적을 윤변으로 나눈 값입니다. P에는 수면이 아니라 물과 접하는 경계만 포함됩니다. 직사각형: A = b·y, P = b + 2y. 측면 경사가 z:1(수평:연직)인 사다리꼴: A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). 만수 또는 반수로 흐르는 원형 관은 R = D/4입니다.

단면 형상

A = (b + z·y)·y = (4 + 1.5·2.3)·2.3 = 17.13 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·2.3·√(1 + 1.5²) = 12.29 m

R = A/P = 1.394 m

속도

V = (1/0.015)·1.394^2/3·0.004^1/2 = 5.261 m/s

유량

Q = A·V = 17.13·5.261 = 90.15 m³/s

답

Q = 90.15 m³/s

10.개수로 흐름(매닝)

답: S = 0.0009727 m/m

단면 형상

A = b·y = 2.5·1.1 = 2.75 m²

P = b + 2y = 2.5 + 2·1.1 = 4.7 m

R = A/P = 0.5851 m

매닝 공식을 S에 대해 풀기

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0.03·2/(2.75·0.6996) = 0.03119

S = 0.03119² = 0.0009727

답

S = 0.0009727

1킬로미터당 0.9727 m의 낙차입니다.

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