수리학

수리학(hydraulics)

이는 유체역학과 관련을 맺고 있고 유체역학은 수리학의 이론적인 바탕을 제공해준다.

수리학은 파이프·하천·수로에서 유체의 흐름, 댐이나 탱크를 이용한 유체의 저장 등을 다룬다. 수리학의 원리 중 몇몇은 밀도의 변화가 비교적 작은 경우에 기체에도 일부분 적용할 수 있어서 수리학이 다루는 범위가 송풍기, 가스 터빈, 압축공기식 제어 시스템과 같은 기계장치에까지 이른다.

프랑스의 과학자이자 철학자인 블레즈 파스칼과 스위스의 물리학자인 다니엘 베르누이가 현대의 수리 기술이 기초로 하고 있는 법칙을 공식화하기 수백 년 전부터 인류는 이동하는 유체와 고압의 유체를 유익하게 이용해왔다.

1650년경에 확립된 파스칼의 법칙에 따르면 액체에 가해진 압력은 모든 방향으로 동일하게 전달된다. 즉 물을 밀폐된 용기에 채우고 어느 부분에 압력을 가하면 이 압력이 용기 내의 모든 부분으로 전달된다는 것이다. 파스칼의 법칙은 유압(油壓) 프레스에서 힘을 증가시키는 데 응용되는데, 작은 실린더의 피스톤에 가해진 작은 힘은 관을 통하여 큰 실린더로 전달되어 실린더 내의 모든 표면(피스톤도 포함)에 같은 힘을 가하게 되어 결국 큰 힘을 낼 수 있게 한다.

이로부터 대략 1세기 후에 공식화된 베르누이 법칙에 따르면 유체의 에너지는 고도·운동·압력에 영향을 받으며 마찰에 의한 손실이나 가해지는 작용이 없다면 에너지의 합은 일정하게 유지된다. 따라서 파이프의 단면을 증가시킴으로써 유체의 운동에 따른 운동 에너지를 압력 에너지로 변환시키는 것이 가능하게 되는데, 파이프의 단면적을 증가시키면 유체의 속도가 감소되는 반면에 유체가 압력을 가할 수 있는 면적은 증가한다.

19세기까지는 유체의 압력이나 속도를 인위적으로 크게 증가시키는 것이 불가능했으나 펌프의 발명으로 파스칼과 베르누이의 발견을 응용할 수 있는 다양한 가능성이 나타났다.

1882년에 런던에서는 공장의 기계를 가동하기 위해 가압수(加壓水)를 송수관을 통해 공급했다. 1906년에 미국 전함 버지니아호의 함포를 제어하기 위해 기름을 사용하는 유압장치가 채용되어 유압기술분야에 획기적인 진보가 이루어졌다. 1920년대에는 펌프·제어부·원동기가 모두 포함되어 있는 수력기계가 개발되어 공작기계·농업기계·토공기계·자동차·기관차·함선·비행기·우주선 등에 응용할 수 있는 길을 터놓았다.

유압장치는 동력전달부, 펌프, 제어 밸브, 원동기, 하중의 5가지 요소로 구성된다.

동력전달부에는 전기원동기나 여러 형태의 기관이 사용되며, 펌프는 주로 액체의 압력을 중가시키기 위해서 사용되고, 원동기는 유압 입력을 기계적인 출력으로 변환시키며 펌프와는 반대의 역할을 한다. 원동기는 하중에 회전이나 직선왕복운동을 발생시킨다. 제2차 세계대전 이후 유압장치는 괄목할 만한 진보를 이루어 공작기계·농업기계·건설기계·채광기계 등의 작동과 제어면에서 기계·전자 장치와 성공적으로 경쟁했다(→ 유체공학). 유압장치의 주된 이점은 융통성과 힘을 효과적으로 증폭할 수 있다는 점과 제어에 대한 반응이 고속이며 정밀하다는 점이다.

유압은 수g에서 수천t에 이르는 힘을 낼 수 있다. 유압장치는 공업·농업·방위산업 등 모든 분야에서 이용되는 주요 에너지 전송기술이다. 현대의 항공기를 예로 들면 기체를 제어하거나 착륙장치와 브레이크를 작동하기 위해 유압장치를 사용한다. 대부분의 미사일과 지상지원 장비가 유압을 사용한다. 자동차에서는 변속기·브레이크·조향장치(操向裝置) 등에 유압장치를 이용한다.

여러 산업분야에서 대량생산방식과 자동화는 유압장치의 이용에 그 기반을 두고 있다.