수리학에 대해 알아보겠습니다.

수리학이란 흐르거나 정지된 물에 구조물이 있는 경우 이들과의 관계를 연구하는 학문을 말하는데 주로 토목공학에서 각종 수리 구조물의 설계‧건설에 응용하기 위해 하천, 운하와 그 밖의 수로나 해안 및 구조물의 주위나 내부에서의 물의 흐름, 파동, 압력 등을 연구하고 있습니다. 수리학은 토목공학에서 유체역학의 응용이라는 성격이며 관로 내(管路內)와 겉도랑의 물 흐름에서 압력의 분포, 유속의 분포, 벽면의 저항, 수중의 물체에 작용하는 압력과 저항 등을 비롯하여 해안 등에서 물의 파동, 지하수의 흐름, 하천수의 유출, 유사(流砂)‧표사(漂砂) 등을 대상으로 연구하는 학문입니다. 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 이릅니다. 해안 및 하천에서 물과 바위부스러기의 움직임에 관한 취급은 지형 영역론과 밀접한 관계가 있으며 수리학은 토목공학의 하천, 수로, 관개, 배수, 댐 건설, 삼출, 물 공급 등에서 응용됩니다. 광산에서는 젖은 석탄이나 원광을 취급하는 공장, 물의 주입, 물 채우기 등에서 응용하고 있습니다. 물리학에서는 수리학을 수력학이라고 부르고 있습니다. 프랑스의 과학자이자 철학자인 블레즈 파스칼과 스위스의 물리학자인 다니엘 베르누이가 현대의 수리 기술이 기초로 하는 법칙을 공식화하기 수백 년 전부터 인류는 이동하는 유체와 고압의 유체를 유익하게 이용해왔습니다. 1650년경에 확립된 파스칼의 법칙에 따르면 액체에 가해진 압력은 모든 방향으로 같이 전달되고 있습니다. 즉 물을 밀폐된 용기에 채우고 어느 부분에 압력을 가하면 이 압력이 용기 내의 모든 부분으로 전달된다는 것입니다. 파스칼의 법칙은 유압 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 합니다. 고대 수리학은 경험에 따랐지만 18세기 이후의 수리학은 ‘물리학→ 역학 → 연속체역학 → 유체역학 → 수리학’이라는 학문적 계통을 거쳐 전개되었다. 수리학은 물을 대상으로 한 유체역학이므로 수리학의 발전은 유체역학의 발전과 맥을 같이 하고 있습니다. 수리학의 이론은 기초 방정식으로 힘과 가속도의 관계식인 ‘나비에-스토크스 방정식’과 물이 연속체임을 나타내는 ‘연속 방정식’이 있습니다. 또 물의 온도, 압력, 밀도 간의 관계식인 ‘상태 방정식’이 있습니다. 사실 이들을 자연 상태대로 해석하는 것은 난해하므로 대개 단순화한 후 근사치 계산을 하고 있습니다. 점성과 압축성이 없는 것으로 전제한 완전유체로 하여 해석합니다. 이로써 물체 주위의 흐름을 파악할 수 있습니다. 물론 이것은 근사한 수치이지만 비행기 날개가 받는 양력의 계산 등은 실험 결과와 잘 일치하므로 중요한 성과로 간주하고 있습니다. 그러나 완전유체이론에 따르면 물체에 저항이 작용하지 않는다는 결론에 이른다는 ‘달랑베르의 역설’에 봉착합니다. 그래서 점성을 고려하는 연구가 시행되었습니다. 흐름에 대한 레놀즈 수가 매우 작은 경우에는 운동 방정식 결과를 쉽게 구할 수 있고, 물체의 저항에 계산 값이 실험값과 비교적 일치합니다. 하지만 레놀즈 수가 커지면 관성력이 작아진다고 할 수 없습니다. 이에 따라 프란틀이 경계층 이론을 제안하였습니다. 프란틀은 물체와 상당히 근접한 얇은 곳을 경계층이라고 하고 여기에 점성력이 작용한다고 가정하여 운동 방정식을 단순화하였습니다. 흐름이 층 흐름인 경우는 물체 주위의 경계층을 계산하여 유체와의 마찰에 따라 물체가 받는 힘을 알게 됩니다. 한편 레놀즈 수가 커지면 층 흐름은 난류로 변합니다. 난류 발생에 대해서는 층 흐름 안정이론이 있습니다. 흐름을 난류로 다루는 난류이론은 해석적으로 다루는 데 어려움이 많아 실험적 이론에 의존하고 있습니다. 그래서 현재의 수리학에도 점성과 난류에서 보듯 경험에 따른 부분이 꽤 남아 있어 반드시 유체역학만으로 수리학이 성립되는 것은 아닙니다. 현대 수리학의 비약적인 발전은 전자기기의 발전에서 비롯되었다고도 볼 수 있습니다. 1960년대에 접어들면서 열 막 유속계, 레이저 도플러 유속계 등의 첨단계측기기 개발로 난류 계측이 가능해져 난류 흐름에 관한 연구가 성행하였습니다. 또한 대한 수치 해석도 크게 발전하기 시작했습니다. 1930년 칼만이 캘리포니아 공과대학 교수가 된 이후 칼만 아래에서 연구를 수행한 한서 알베르트 아인슈타인과 추적꾼 라우스, 아서 토마스 입엔 등이 현대 수리학을 크게 발전시켰습니다. 이와 같은 현대 수리학의 발단은 정통적인 수 공학 분야를 넘어 환경, 생태 등 다양한 분야의 해석에도 점차 응용하기에 이르고 있습니다. 이로부터 대략 1세기 후에 공식화된 베르누이 법칙에 따르면 유체의 에너지는 고도·운동·압력에 영향을 받으며 마찰에 의한 손실이나 가해지는 작용이 없다면 에너지의 합은 일정하게 유지됩니다. 따라서 파이프의 단면을 증가시킴으로써 유체의 운동에 따른 운동 에너지를 압력 너 지로 변환시키는 것이 가능하게 되는데, 파이프의 단면적을 증가시키면 유체의 속도가 감소하는 반면에 유체가 압력을 가할 수 있는 면적은 증가하고 있습니다. 19세기까지는 유체의 압력이나 속도를 인위적으로 많이 증가시키는 것이 불가능했으나 펌프의 발명으로 파스칼과 베르누이의 발견을 응용할 수 있는 다양한 가능성이 나타나고 있습니다. 1882년에 런던에서는 공장의 기계를 가동하기 위해 가압수를 송수관을 통해 공급했습니다. 1906년에 미국 전함 버지니아 호의 함포를 제어하기 위해 기름을 사용하는 유압장치가 채용되어 유압기술분야에 획기적인 진보가 이루어졌습니다. 1920년대에는 펌프·제어부·원동기가 모두 포함된 수력기계가 개발되어 공작기계·농업기계·토공 기계·자동차·기관차·함선·비행기·우주선 등에 응용할 수 있는 길을 터놓았습니다. 이와 같은 현대 수리학의 발단은 정통적인 수공학(水工學, water engineering) 분야를 넘어 환경, 생태 등 다양한 분야의 해석에도 점차 응용하기에 이르고 있습니다. 마지막으로 해양학은 역동적인 자연과학인 동시에 기상학, 지구물리학, 생화학, 생태학 등 경계 분야 학문을 다양하게 거느리고 있는 종합과학이면서 중요한 연구과제로 손꼽히고 있습니다. 해양학은 생물 및 지하자원 개발, 에너지자원 개발, 지진 예측 및 쓰나미예측 등 실질적인 문제에 대한 해결책을 제시하거나, 바다 자체 또는 바다에 사는 해양생물들로부터 정서적인 보상을 얻기도 합니다. 해양학에 대한 풍요로운 지식은 지구의 자연환경에 대한 인식과 이해를 높이는 데 크나큰 이바지를 하고 있습니다. 오늘은 지구물리학의 한 분야인 해양학에 대하여 알아보는 시간을 가져보았습니다.