지난 시간에 흐르지 않는 물의 압력(정수압)은 한 위치에선 어느 방향에서나 같다고 말했습니다. 물 속 한 지점을 잡으면, 그 지점을 누르는 물의 압력은 방향에 관련 없이 같습니다. 그 수압 크기는 깊이 곱하기 단위중량이며, 기준은 대부분 수면이라 대기압은 무시됩니다.

  하지만 아무리 생각해도 이상합니다. 물이 위에서 누르니까 아래루 누르는 수압은 이해가 됩니다. 하지만 옆에서, 또 아래에서 위로 누르는 수압도 같다니요? 파스칼의 원리로 이것을 증명할 수 있습니다. 지난 시간엔 생략했지만 이번엔 제대로 한번 파고들어 보겠습니다.

파스칼의 원리 증명

여기 정지한 물이 있습니다. 모기 유충도 녹조도 없는 깨끗한 물이군요.

물 가운데에 있는 부분을 임의로 잘라 보겠습니다. 직각삼각형 모양으로 자를 겁니다. 직각삼각형으로 자르는 이유는 나중에 알게 됩니다.

  이 직각삼각형 모양 물은 세 방향에서 힘을 받습니다. 왼쪽에서 받는 수압, 빗변이 받는 수압, 아래에서 위로 받는 수압이 있습니다. 여기에 중력이 물을 아래로 당겨 물 자체의 무게(자중)이 아래 방향으로 생깁니다.

  편의를 위해 축을 긋고 길이를 표시하겠습니다. 저희는 아주 작은 부분을 잘라냈기 때문에 깊이에 따른 수압 변화는 적어도 이 삼각형엔 없는 것으로 간주합니다. 무게는 W로 하고 세 가지 압력은 P로 씁니다.

네 가지 힘을 하나씩 계산해 봅시다.

1) 왼쪽에서 누르는 힘은 압력으로 생깁니다. 압력에 면적을 곱하면 힘이 나올 겁니다. 폭을 dx라 합시다. 그럼 왼쪽에서 누르는 힘은 Px X dz X dy입니다.

2) 아래에서 누르는 힘도 방법은 같습니다. 수압에 면적을 곱합니다. Pz X dy X dx.

3) 빗변을 누르는 힘은 방향이 수직/수평이 아닙니다. 일단 크기부터 구합시다. Ps X dx X ds입니다. ds는 빗변 부분 길이입니다.

4) 물의 무게 W는 단위중량 곱하기 부피입니다. 부피는 직각삼각형 넓이에 dx를 곱한 값입니다.

  정역학을 배웠다는 가정 하에, 우린 힘의 평형식을 세울 수 있습니다. 이 물은 정지한 상태니까 힘의 합력은 0입니다. 평형식을 가로와 세로로 나누어 계산해 봅시다. 먼저 가로(y축)입니다. x축 방향의 힘은 왼쪽에서 누르는 힘과 빗변에서 누르는 힘의 가로 방향성분입니다. 사인(sinθ)을 곱하면 가로 방향이 성분이 나올 겁니다.

(오른쪽 방향을 +로 설정한 것임)

  두 항에 dx가 공통이니까 나누어 없앨 수 있습니다. sinθ는 dz/ds와 같습니다. 이걸 식에 대입하면 ds sinθ를 dz로 고칠 수 있습니다. 따라서 dz도 나누어 없애기 가능해집니다. 그럼 남은 건 두 P뿐이군요.

  Py=Ps가 됩니다. 따라서 옆에서 누르는 수압은 빗변을 누르는 수압과 같습니다. 세로(z축)도 보겠습니다. 세로 방향에 있는 힘은 세 가지입니다. 아래에서 수압으로 누르는 힘, 물의 무게, 빗변에서 누르는 힘의 세로 성분입니다. 세로 성분은 cosθ를 곱하면 나옵니다.

(위 방향을 +로 설정한 것임)

  세 항에 dx가 공통이니까 나누어 없앱니다. cosθ는 dy/ds이고, ds cosθ은 dy입니다. dy로 바꾸어 보니 세 항에 dy가 같이 있게 되네요. 이것도 없앱니다.

  조금 어색한 형태가 되었습니다. 그런데 우리는 한 '점'에 가하는 정수압을 알고 싶습니다. '점'엔 길이가 없으므로 dz를 없앨 수 있습니다. 따라서 Pz=Ps가 성립합니다.

  결과적으로 Py=Pz=Ps가 됩니다. 옆에서 누르는 수압은 위에서 누르는 수압과 같습니다. 우린 θ가 몇 도인지 딱히 정하지 않았습니다. 즉 θ를 몇 도로 하든 상관없이 이 식이 성립합니다. 어떤 각도를 정해 그 각도로 누르는 정수압을 계산해도 모두 같다는 말입니다. 따라서 파스칼의 원리에 따라 정수압은 방향에 무관하다는 것이 증명되었습니다.

  잠수함을 튼튼하게 짓지 않으면 심해에서 수압에 찌그러지게 됩니다. 수압은 물이 만드는 압력입니다. 물도 엄연히 무게가 있는 물질이고 깊이 들어갈수록 물의 무게는 우리를 짓누르게 됩니다. 그렇다면 공학자로서 그 물의 무게를 묻지 않을 수가 없습니다.

  우선 정수압(Hydrostatic Pressure)이라는 개념부터 알고 넘어갑시다. 정수압은 흐르지 않는 물의 압력입니다. 흐르는 물의 압력 즉 동수압은 나중에 알아보고 우선 가만히 있는 수압부터 생각합시다. 상식적으로 깊이 들어갈수록 수압은 세집니다. 아래로 갈수록 위에 있는 물 깊이가 깊어지고 위에서 누르는 물의 양도 많아집니다. 정수압은 그래서 깊이 곱하기 물의 단위중량입니다.

  수압의 단위는 보다시피 [힘/면적]으로 다른 압력의 단위와 같습니다. "이건 위에서 누르는 힘인데, 옆에서 누르는 수압 크기는 어떻게 되나요?"라는 질문이 나올 차례군요. 결론부터 말씀드리면 정수압의 크기는 방향에 무관합니다. 파스칼의 원리라고 하는데요. 깊이만 같다면 어느 방향이든 수압의 크기는 같습니다. 옆에서 누르는 수압도 아래에서 위로 누르는 수압도 똑같습니다. 수학으로 증명할 수도 있습니다만 어려워서 이 자리에서는 설명하지 않겠습니다. 유체역학이나 수리학 책을 보시면 대부분 증명이 있을 겁니다. 아무튼 정수압을 결정짓는 유일한 요소는 '깊이'라고 생각하면 편합니다.

기압

  물도 무게가 있다고 했는데, 공기에도 무게가 있습니다. 물에 들어가지 않아도 우리는 늘 공기의 압력인 기압을 받으면서 살고 있죠. 기압은 물을 누르고 물은 공기와 함께 우리를 누릅니다. 그러니까 우리가 물 속에 있으면 공기+물이 우리를 같이 누릅니다. 하지만 유체역학에서 수압을 구할 때는 기압을 생략하는 편입니다. 지표면에서 일반적인 1기압은 물 10.33m가 누르는 압력과 같습니다. 아주 세지만 대부분의 시험문제에서는 수압만 구하라고 합니다. 정확히 말하면 기압을 무시한다기보다는 1기압은 늘 있는 기준이라고 생각하는 것에 가깝습니다. 당연히 각 잡고 계산에 포함하라면 할 수 있어야 합니다.

*1기압 = 760mmHg = 10.33mH2O = 1.033kg/cm^2

물 속에서 받는 힘

  가로로 널찍한 판을 물 속에 넣었습니다. 이 판이 받는 힘은 얼마나 될까요? 우린 이미 깊이에 따른 정수압 크기를 구했습니다. 판 모든 곳이 수심이 같으니까 정수압도 모든 부분이 같을 겁니다. 힘은 압력 곱하기 면적입니다. 정수압에 이 판의 넓이를 곱하면 됩니다.

  이번엔 세로로 넣어 봅시다. 수문이나 댐 등 많은 구조물이 물 속에 연직(세로)방향으로 설치됩니다. 그러니까 제대로 구해 봅시다. 정수압은 방향에 무관하다는 법칙에 따라 판을 옆으로 누르는 수압의 크기도 깊이 곱하기 단위중량입니다. 다만 아래로 갈수록 깊이가 커지니까 정수압도 커지겠죠. 그림으로 그린다면 사다리꼴 모양이 될 겁니다. 삼각형과 직사각형으로 분리하거나 적분을 써서 힘을 구할 수 있습니다.