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

d = 3 mH = 2 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

2.정수압어려움

폭 2 m인 연직 직사각형 수문이 바닷물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 0.5 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 0.5 mH = 1 mb = 2 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

3.연속 방정식과 베르누이보통

입구 지름 300 mm, 목 지름 150 mm인 수평 벤투리미터에 물이 흐른다. 입구의 압력은 목보다 7 kPa 높다. 손실을 무시하고 유량 Q을(를) 구하시오.

d₁ = 300 mmd₂ = 150 mmp₁ − p₂ = 7 kPaρ = 1000 kg/m³

Q = L/s

4.연속 방정식과 베르누이어려움

밀폐된 물탱크의 수면 위에 계기 압력 170 kPa의 압축 공기가 있다. 물은 수면보다 5 m 아래에 있는 지름 50 mm의 구멍을 통해 대기 중으로 나간다. 손실을 무시하고 다음을 구하시오: 분류 속도 v. g = 9.81 m/s²를 쓴다.

p_air = 170 kPa (게이지압)h = 5 md = 50 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

v = m/s

5.관 마찰과 손실 수두보통

물이 길이 100 m, 안지름 250 mm인 관을 50 L/s로 흐른다. 다르시 마찰 계수 f = 0.022, g = 9.81 m/s²를 쓴다. 마찰 손실 수두 h_f을(를) 구하시오.

Q = 50 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0.022g = 9.81 m/s²

h_f = m

6.관 마찰과 손실 수두어려움

두 개방 저수지가 길이 200 m, 안지름 250 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.018인 관으로 연결되어 있다. 위 저수지의 수면은 아래 저수지 수면보다 6 m 높다. 부차 손실 요소는 직각 입구(K = 0.5), 엘보 3개(각각 K = 0.3), 밸브(K = 2), 아래 저수지로의 출구(K = 1.0)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 유량 Q을(를) L/s 단위로 구하시오.

Δz = 6 mL = 200 mD = 250 mmf = 0.018K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 2K_exit = 1.0

Q = L/s

7.펌프와 펌프 동력보통

효율 80%인 펌프가 양정 80 m에 대해 물(ρ = 1000 kg/m³)을 100 L/s 송출한다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 필요한 축동력 P_shaft을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 100 L/sH = 80 mη = 80%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

8.펌프와 펌프 동력어려움

펌프가 물(ρ = 1000 kg/m³)을 80 L/s로 개방된 아래 저수지에서 수면이 14 m 더 높은 위 탱크로 보낸다. 관은 길이 200 m, 안지름 200 mm, 다르시 마찰 계수 f = 0.018이며, 부차 손실 계수의 합은 ΣK = 8(입구와 출구 포함)이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 펌프 효율은 70%이다. 축동력 P_shaft을(를) kW 단위로 구하시오.

Q = 80 L/sΔz = 14 mL = 200 mD = 200 mmf = 0.018ΣK = 8η = 70%

P_shaft = kW

9.개수로 흐름(매닝)보통

사다리꼴 마감된 콘크리트 수로의 바닥 폭은 2.5 m, 측면 경사는 1.5:1(수평:연직)이다. 물이 수심 2.3 m로 등류로 흐른다. 매닝 n = 0.012, 수로 바닥 경사는 S = 0.001이다. 유량 Q을(를) m³/s 단위로 구하시오.

b = 2.5 my = 2.3 mz = 1.5n = 0.012S = 0.001

Q = m³/s

10.개수로 흐름(매닝)어려움

폭 4.5 m인 직사각형 깨끗한 흙 수로가 수심 1.9 m의 등류로 18 m³/s를 흘려야 한다. 매닝 n = 0.022. 필요한 수로 바닥 경사 S을(를) m/m 단위로 구하시오.

Q = 18 m³/sb = 4.5 my = 1.9 mn = 0.022

S = m/m

3용액

1.정수압

답: F = 78.48 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 = 3 + 2/2 = 4 m

A = H·b = 2·1 = 2 m²

합력

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·4·2 = 78.48 kN

답

F = 78.48 kN

2.정수압

답: F = 20.11 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 = 0.5 + 1/2 = 1 m

A = H·b = 1·2 = 2 m²

합력

F = ρ·g·y_c·A = 1025·9.81·1·2 = 20.11 kN

답

F = 20.11 kN

3.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 68.29 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.

연속 방정식

v₁ = v₂·(150/300)² = 0.25·v₂

입구와 목 사이의 베르누이 식

관이 수평이므로 압력과 유속만 변합니다.

p₁ − p₂ = ½ρv₂²(1 − β⁴)

v₂ = √(2·7000/(1000·(1 − 0.0625))) = 3.864 m/s

v₁ = 0.9661 m/s

유량

Q = A₂·v₂ = 0.01767·3.864 = 0.06829 m³/s = 68.29 L/s

답

Q = 68.29 L/s

4.연속 방정식과 베르누이

답: v = 20.93 m/s

수면에서 분류까지의 베르누이 식

v = √(2·(170000/1000 + 9.81·5)) = 20.93 m/s

답

v = 20.93 m/s

5.관 마찰과 손실 수두

답: h_f = 0.4654 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·0.25²/4 = 0.04909 m²

V = Q/A = 0.05/0.04909 = 1.019 m/s

속도 수두

V²/(2g) = 1.019²/(2·9.81) = 0.05288 m

다르시–바이스바흐 식

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.022·(100/0.25)·1.019²/(2·9.81) = 0.4654 m

답

h_f = 0.4654 m

6.관 마찰과 손실 수두

답: Q = 122.8 L/s

손실 계수

f·L/D = 0.018·200/0.25 = 14.4

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 2 + 1.0 = 4.4

에너지 방정식

두 수면 모두 대기에 열려 있고 사실상 정지해 있으므로 Δz 전체가 관에서 손실됩니다.

6 = (14.4 + 4.4)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·6/18.8) = 2.502 m/s

유량

Q = V·π·D²/4 = 2.502·0.04909 = 0.1228 m³/s = 122.8 L/s

답

Q = 122.8 L/s

7.펌프와 펌프 동력

답: P_shaft = 98.1 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 = 1000·9.81·0.1·80 = 78.48 kW

축동력

P_shaft = P_h/η = 78.48/0.8 = 98.1 kW

답

P_shaft = 98.1 kW

8.펌프와 펌프 동력

답: P_shaft = 25.33 kW

속도

V = Q/A = 0.08/0.03142 = 2.546 m/s

V²/(2g) = 0.3305 m

손실 수두

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 8)·0.3305 = 8.593 m

펌프 양정

H = Δz + h_L = 14 + 8.593 = 22.59 m

축동력

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.08·22.59/0.7 = 25.33 kW

답

P_shaft = 25.33 kW

9.개수로 흐름(매닝)

답: Q = 42.25 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 = (2.5 + 1.5·2.3)·2.3 = 13.68 m²

P = b + 2y·√(1 + z²) = 2.5 + 2·2.3·√(1 + 1.5²) = 10.79 m

R = A/P = 1.268 m

속도

V = (1/0.012)·1.268^2/3·0.001^1/2 = 3.087 m/s

유량

Q = A·V = 13.68·3.087 = 42.25 m³/s

답

Q = 42.25 m³/s

10.개수로 흐름(매닝)

답: S = 0.002062 m/m

단면 형상

A = b·y = 4.5·1.9 = 8.55 m²

P = b + 2y = 4.5 + 2·1.9 = 8.3 m

R = A/P = 1.03 m

매닝 공식을 S에 대해 풀기

S^1/2 = n·Q/(A·R^2/3) = 0.022·18/(8.55·1.02) = 0.04541

S = 0.04541² = 0.002062

답

S = 0.002062

1킬로미터당 2.062 m의 낙차입니다.

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