소용돌이
[ vortex ]
- 요약
유체 속에서 팽이처럼 회전하고 있는 부분.
나루토 해협의 소용돌이
수학적으로는 소용돌이도(유체의 속도벡터 v의 로테이션, 즉 rot v)가 0이 아닌 부분이다. 회전운동이 격렬하게 진행하면 난류로 이행한다. 소용돌이는 점성 때문에 유체 각 부분에 운동차가 생겨서 형성되는 것으로, 유체 속에서 물체를 움직이거나 반대로 물체를 유체 속에 집어넣었을 때, 또는 유체가 세차게 흘러나가거나 흘러들어가는 경우 등에 관측할 수 있다. 소용돌이는 유체 회전이 한 군데 집중되어 있어 뚜렷이 보이는 경우도 있지만 넓은 범위에 퍼져 있어서 눈에 보이지 않는 경우도 있다. 또 여러 형태여서 회전축이 직립하고 있는 것 외에, 회전축이 담배연기 고리나 발동기선이 뿜는 연기처럼 닫힌 고리 모양이고 그 둘레를 유체가 돌고 있는 링소용돌이 또는 소용돌이고리 같은 것도 있다.
실제 나타나는 소용돌이는 여러 가지이지만 그 기본형은 독립된 원기둥꼴의 소용돌이로서 중심은 마치 고체막대와 같은 회전 부분이 있고 그 주변을 소용돌이에 끌려가듯이 움직이는 유체 부분이 돌고 있다. 유체역학에서는 회전하는 부분을 강제소용돌이, 끌려가는 부분을 자유소용돌이라 하는데, 자유소용돌이는 소용돌이와 더불어 움직이는 부분일 뿐이며 사실은 소용돌이가 아니다. 즉 강제소용돌이 부분에서 갑자기 압력이 낮아지므로 그 둘레의 유체가 중심을 향해 말려들듯이 끌려가고 있는 것이다. 이와 같은 소용돌이가 2개 이상 나란히 있으면 서로 영향을 미쳐 서로 끌어당기듯이 움직이기 시작한다. 단면 하나하나가 소용돌이로 보이는 링소용돌이가 저절로 움직이는 것은 이 때문이기도 하다.
카르만 소용돌이
유체 속에서 기둥 모양의 물체가 움직일 때, 물체 속도가 어떤 크기에 이르면 그 배후에 서로 반대방향의 소용돌이가 번갈아 나타나 규칙적으로 2열로 늘어선다. 이러한 소용돌이가 카르만 소용돌이인데, 소용돌이 간의 거리와 열(列)의 간격이 일정하며, 1초간 소용돌이 발생수가 물체의 크기와 속도에 따라 결정되는 등 그 발생에는 일정한 법칙성이 있다. 그 명칭은 1911년 그 법칙성을 해명한 헝가리의 응용역학자 T.카르만의 이름에서 딴 것이다. 강풍을 만나면 전선이 윙 하는 소리(아이올로스음)를 내는 것도 그 배후에 이런 종류의 소용돌이가 생겨 전선이 번갈아 소용돌이의 중심부로 끌려 진동하기 때문이다.
일반적으로 물체 배후에 카르만 소용돌이가 생기면 물체는 주기적으로 힘을 받는데, 특히 물체 고유진동수가 1초간 소용돌이 발생수와 일치할 때에는 비정상적으로 큰 힘이 작용하거나 큰 공명음이 난다. 그러므로 그러한 소용돌이의 해가 미칠 우려가 있는 경우, 예상되는 소용돌이 발생수와 물체의 고유진동수가 일치하지 않도록 조치를 강구해야 한다.
