[토목공학] Part.3 수공학(Hydraulic engineering)

Part.3 수공학

 

오늘은 토목공학하면 역시 빼놓을 수 없는 '수공학'에 대해 알아보도록 하자

 

수공학(hydraulic engineering)이란 이름처럼 물과 관련된 분야를 연구하는 학문인데 여러 가지 조건 속에서 물의 흐름(water flow)에 대해 연구하고 있으며 파이프와 같은 관 내부에서의 흐름과 하천, 수로 등과 같은 외부에서의 물의 흐름에 대해 연구해오고 있다.

 

수공학은 토목 구조물중 당연 손꼽히는 댐, 항만, 하천, 수자원시스템 등에 대한 구조물 설계에 꼭 필요한 분야로서 구조물을 설계하기 위해  물의 역학적 거동과 흐름에 대해 확인하고 값을 산정하여 구조물을 설계할 수 있도록 한다.

 

수공학 역시 여러 분야로 가지가 나 있는데, 이는 '유체역학', '수리학', '수문학', 하천공학 등이 있다.

 

먼저, '유체역학(Fluid Mechanics)'이란 유체의 운동에 대해 연구하는 학문으로 이는 굳이 토목공학을 전공하지 않고 심지어 공학을 전공하지 않은 일반인들도 한번쯤은 들어봤을 정도로 유명한 메카닉스 중에 하나일 것이다.

 

유체역학에서 다루는 가장 기본이 되는 유닛인 '유체'란 액체와 기체처럼 공학적으로 연속체라는 가정하에 여러가지 힘에 의해 수리적 또는 정량적으로 확인할 수 없는 물체로 일정한 형태를 가지지 않는 특징이 있고 그 흐름이 굉장히 불규칙하며 기체상태의 유체일 경우 육안으로 식별하기도 어려운 경우가 많습니다. 

 

앞서 part.1 에서 공부한 구조역학과 마찬가지로 유체의 운동 여부에 따라 정지된 상태에 있는 유체에 대해서는 '유체 정역학', 운동성이 있는 유체에 대해서는 '유체 동역학'으로 나누어 볼 수 있다. 또한 마찬가지로 유체의 성질이 액체일 경우엔 '수역학', 기체일 경우에는 '기체역학' 으로 분류하여 불리고 있다.

 

유체역학은 우리의 삶과 굉장히 밀접한 관계를 맺고 있으며 그 원리 중 우리가 가장 쉽게 접할 수 있는 것 중에 하나가 바로 '베르누이정리'이다. 누구나 한 번쯤 그 이름은 들어봤지만 정확히 그게 무엇인지는 모르는 사람이 많다.

 

'베르누이정리'란 쉽게 말해 '점성이 없는 유체일 경우'에 에너지 보존의 법칙과 동일한 거동을 보인다는 원리로 유체가 좁은 공간을 지날 때  유체의 속도는 빨라지고 압력은 낮아지는 현상이 발생하는데 우리 주변에서 쉽게 찾을 수 있는 '분무기'에서 이러한 현상을 확인할 수 있다.

 

우리가 분무기의 레버를 당기면  정지 상태에 있던 물(유체)이 좁은 관을 통해 이동하며 속도가 발생하게 되고 이에 따라 관을 통해 이동하는 물에 작용하는 압력이 낮아지며 물이 스프레이처럼 입자 사이의 인력이 약해져 분사되는 것을 알 수 있다. 또 하나의 대표적인 예로는 비행기 날개에 양력이 발생하는 것을 예로 들 수 있을 것 같다.

 

분무기

 

다음은 '수리학(hydraulics)'이라는 분야로 이제 본격적으로 유체 중 '물'에 초점을 맞추어 물의 흐름에 대한 역학적 특성에 대해 연구하는 학문이다.

 

수리학은 유체역학에 이론적 기초를 두고 시작하며 앞서 이야기 했듯 관(pipe) 내에서의 흐름, 댐, 하천 등의 외부 흐름에 대해 다루고 있다. 이를 통하여 수리 토목구조물에 대한 엔지니어 모듈을 확보하고 적용할 수 있도록 하고 있다.

 

다음은 개인적으로 토목공학을 전공하며 공부했던 내용중 나름 흥미롭게 공부했던 분야였던 '수문학'에 대해 알아보려고 한다. '수문학(hydrology)'은 수리학 보다는 보다 넓은 범위에 대하여 다루는 학문으로 통상 지구 전체의 물이 순환하는 것에 대해 물의 이동방향, 분포도 등에 관심이 있는 분야이다.

 

우리가 토목공학을 배우면서 토목구조물을 설계하기 위하여 물의 역학적 특성과 거동을 살피기 위해 수공학 및 수문학을 배우고 있지만 우리가 공부하는 이 수문학은 이러한 학문적이고 마냥 설계를 위한 것뿐 아니라 물은 하나의 자원으로서도 중요하게 여겨지기 때문에 수문학은 이학, 공학, 농학 등 여러 가지 분야에서 연구를 하고 있다. 주로 물의 순환에 대해 연구하고 있으며 그 범위가 지구 전체로 꽤 광범위하며 물이 순환하는 과정인 침투, 지하수 유동, 유출, 증발산 등에 대해 연구하고 각 과정에서의 수질에 대해 관심을 가지고 연구하고 있다.

 

마지막으로 '하천공학(river engineering)'은 말그대로 하천의 의미부터 그 종류, 관련 법령, 하천의 취수 및 배수시설, 방수로, 하천의 수질관리까지 하천의 전반적인 제반에 대한 연구를 진행하며 크게는 태풍이나 홍수에 의해 하천이 범람하는 등의 자연재해를 미연에 방지하기 위해 하천을 연구하고 설계하는 학문이다.

 

 

 

 

 

 

[출처]

 

분무기 : 사진: Unsplash의Kaffeebart