유압시스템의 정의
액상의 유체를 사용하여 동력을 전달하는 시스템은 크게 나누어서 유체 정역학(hydrostatics)의 원리에 의하여 작동하는 시스템, 그리고 유체 커플링이나 토크 컨버터와 같이 유체 동역학(hydrodynamics)의 원리에 의하여 작동하는 시스템으로 구분할 수 있습니다.
유체 정역학의 원리를 응용하는 시스템은 높은 압력으로 동력을 전달하며, 일반적으로 낮은 유속을 유지합니다. 이에 비해 유체 동역학을 이용하는 시스템은 유체의 높은 속도 에너지가 동력 전달의 수단이지 때문에 비교적 낮은 압력과 높은 유속을 가지는 것이 특징입니다.
유압 시스템에서 동력의 전달이 유체 정역학의 원리에 의하여 이루어지지만, 유압 부품 내부의 유체 흐름, 펌프, 모터 내부의 흐름, 밸브 내부의 흐름, 관로 내부의 흐름 등을 고려하여 유압 부품들을 설계하려면 유체 동역학의 지식을 충분히 활용해야 한다는 점에도 유의할 필요가 있습니다.
유압시스템의 기초적 원리
파스칼의 원리 (Pascal's principle)
요약
: 밀폐된 용기 속에 담겨 있는 액체의 한쪽 부분에 주어진 압력은 그 세기에는 변함없이 같은 크기로 각 부분에 골고루 전달된다는 법칙
1653년 B.파스칼이 정리한 원리로, 밀폐된 공간에 채워진 유체에 힘을 가하면, 내부로 전달된 압력은 공간의 각 면에 동일한 압력으로 작용한다는 원리입니다. 치약의 끝을 누르면 치약이 나오는 것도 이러한 원리로 나타나는 현상입니다.
아래 그림과 같이 단면적이 A1인 피스톤에 F1의 힘을 가하면 A1에 가해진 압력(P1)이 유체를 통해 같은 압력(P2)으로 단면적이 A2인 피스톤에 F2의 힘이 전달 됩니다.
이를 식으로 니타내면,
따라서 F2는 A2/A1의 면적비만큼 큰 힘을 낼 수 있음을 알 수 있습니다. 즉, 족은 면적에서는 작은 힘(F1)을 가하더라도 전달되는 다른 쪽의 단면적을 넓히면 큰 힘으로 작용할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 원리는 자동차에서 사용하는 유압식 브레이크, 자동차 정비소의 유압식 승강기, 기압계 등의 분야에서 적용되고 있습니다.
베르누이 방정식 (Bernoulli's equation)
요약
: 흐르는 유체에 대하여 유선(streamline) 상에서 모든 형태의 에너지의 합은 언제나 일정하다는 점을 설명
유체 동역학에서 베르누이 방정식은 이상 유체(ideal fluid)에 대하여, 유체에 가해지는 일이 없는 경우에 대해, 유체의 속도와 압력, 위치 에너지 사이의 관계를 나타내는 식입니다. 이 식은 1738년 다니엘 베르누이가 그의 저서 《유체역학》(hydrodynamica)에서 발표하였습니다.
위 식을 보면, 어떤 속도에서는 압력이 0이 되거나, 혹은 음수의 압력이 될 수도 있다는 것처럼 보입니다. 그러나 실제로 기체나 액체에서 0이나 음수의 압력은 있을 수 없고, 베르누이 방정식은 압력이 0이 되기 훨씬 전부터 적용이 불가해집니다.
또한 위의 식을 보면, 속도의 제곱과 압력이 선형적인 관계에 있다. 실제 기체에서는 속도가 낮을 경우에만 이런 관계가 성립합니다. 액체의 경우, 속도가 높아지면 공동현상(cavitation)과 같은 비선형 과정들이 발생합니다. 기체의 경우, 속도가 높아지면 밀도가 달라져, 밀도가 일정하다는 가정이 맞지 않게 됩니다.
여기서,
는 동압력(dynamic pressure)이라고 부릅니다.
베르누이 방정식을 쓸 때는 유선(streamline) 상의 유동에서 가 0이거나 무시할 만큼 작은 경우가 많다. 이런 경우 위 식은 다음과 같이 간략해집니다.
여기서 는 전압력(total pressure)라 부르며, 는 전압력 및 동압력과 구별하기 위하여 정압력(static pressure) 또는 정체압력이라 부릅니다. 또한, 보통 그냥 “압력”이라 하면 정압력을 지칭하는 경우가 많습니다.
따라서 단순화된 베르누이 방정식은 다음과 같이 요약될 수 있습니다.
즉, 베르누이 방정식은 “유선 상에서의 전압력은 일정하다”는 말로 해석될 수 있습니다. 또한 만약 그 유동이 한 곳에서 출발하였다면, “그 유동 내의 모든 점에서의 전압력은 일정하다”고 할 수 있습니다. 그러나 앞서도 언급하였듯이 이 식은 경계층 내에는 적용되지 않음을 기억하여야 합니다.