경계층이 떨어져 나가면 항력이 커진다
같은 속도로 날아가도 판자는 공기를 강하게 밀어내고 물방울 모양은 매끄럽게 가르고 지나간다. 그 차이는 흐름이 뒤에서 떨어져 나가며 남기는 후류에 있는데, 물체 뒤로 흐름이 어떻게 갈라지는지 속도를 끌어 본다. 뒤가 비면 앞이 밀어요.
흐름이 둥근 물체 앞을 매끄럽게 감싸다가 뒤쪽 어느 지점에서 표면을 따라가지 못하고 떨어져 나가면, 그 뒤로 느리고 소용돌이치는 후류(wake)가 생긴다. 이 후류 안은 압력이 낮아서 앞은 높은 압력이 밀고 뒤는 낮은 압력이 덜 받쳐 줘 물체가 뒤로 끌리는데, 이게 압력항력이에요. 속도를 끌면 후류가 더 거세진다. 빈 뒤가 물체를 끌어당긴다.
같은 정면 면적이라도 모양이 후류 크기를 정한다. 버튼으로 바꿔 보면 뭉툭한 물체는 흐름이 일찍 떨어져 넓은 후류와 큰 항력을 만들지만, 유선형은 뒤가 완만해 흐름이 끝까지 붙어 후류가 거의 없고 항력이 작아요. 그래서 비행기와 물고기, 자동차가 다 뒤를 길게 뺀다. 긴 꼬리가 흐름을 붙잡아 둔다.
흐름은 왜 떨어질까. 물체 뒤쪽에서는 흐름이 넓어지며 느려지고 압력이 오히려 높아지는 역압력경사가 생긴다. 벽 근처의 느린 층은 이 오르막 압력을 이겨내지 못하고 멈췄다가 거꾸로 흐르며 표면에서 떨어져 나가요. 역압력경사 가파르기를 끌면 박리점이 앞으로 당겨지고 역류 영역이 커지는 게 보인다. 오르막을 못 이긴 층이 돌아선다.
항력의 크기는 한 식으로 모인다. FD = ½ ρ v² CD A, 곧 유체 밀도, v², 항력계수 CD, 정면 면적 A 의 곱이에요. 속도 v 를 끌면 항력이 v² 로 치솟는데, 속도를 두 배로 하면 항력은 네 배다. 그래서 고속에서는 공기저항이 지배적이 된다.
골프공에 왜 옴폭한 자국이 있을까. 매끈한 공은 층류 경계층이 일찍 떨어져 넓은 후류와 큰 항력을 만드는데, 옴폭한 자국은 경계층을 일부러 난류로 만들어 난류 경계층이 역압력경사를 더 잘 견디며 더 늦게 떨어지게 해요. 그러면 후류가 줄어 압력항력이 크게 떨어진다. 표면 마찰은 조금 늘지만 후류 감소가 훨씬 커서 자국 있는 공이 더 멀리 날아가는데, 버튼으로 후류와 항력을 비교하면 그 차이가 보인다. 이 모든 흐름 현상을 무차원 수로 묶는 차원해석이 이어진다.