항해 시 바람을 적극적으로 이용하기 위해 배에 돛을 달기 시작했는데, 바람을 최대한 많이 받는 것이 유리하기 때문에 초기에는 면적이 넓은 사각돛을 달았다. 삼각돛은 사각돛보다 이후에 만들어졌는데. 바람이 닿는 면적이 작아 속도가 더 느린 삼각돛을 만든 이유는 무엇일까? 그것은 역풍 때도 배를 움직이기 위해서다.
바람의 방향이 수시로 바뀌는 바다에 서 사각돛을 단 배는 가다 멈추다를 반복할 수밖에 없지만 삼각돛은 역풍에도 움직일 수 있다. 비록 직진할 수는 없지만 45도 각 도로 지그재그를 그리며 앞으로 나아갈 수 있습니다.
삼각돛의 배가 역풍에도 전진할 수 있는 ‘베르누이(Bernoulli)의 원리’
또한, 사각돛은 돛대에 고정되어 있어 방향을 바꿀 수 없지만 삼각돛은 돛대를 중심으로 이동할 수 있도록 만들었다.
그리하여 바람의 방향이 역풍이 되면 사각돛으로는 앞으로 나아갈 수 없으므로 접어야 하지만, 삼각돛은 바람의 방향과
나란하게 하여 삼각돛 전후의 압력 차이로 발생하는 힘을 이용할 수 있다. 이를 ‘베르누이(Bernoulli)의 원리’라 한다.
베르누이 원리(Bernoulli principle)
이 원리는 특히 비행기나 선박, 자동차를 설계할 때 매우 중요하게 여기고 있다. 이 원리에 잘 맞도록 설계되어야 비행기라든가 배가 효과적으로 빨리 달릴 수 있기 때문이다.
비행기의 날개 단면(斷面)을 보면, 윗면이 약간 불룩하게 되어 있어, 아랫면보다 윗면의 폭이 길다. 그러므로 비행기가 앞으로 나아가면, 날개 윗면으로 흐르는 공기의 유속(流速)이 아랫면을 지나는 유속보다 빠르게 된다. 이처럼 유체가 운동할 때 기압이 낮아지는 현상을 '베르누이의 원리'라고 하는데, 한 마디로 말하면, “기체나 액체의 흐르는 속도가 증가하면 그 부분의 압력이 낮아지고, 유속이 감소하면 압력이 높아진다.”
기체와 액체처럼 흐를 수 있는 물질을 유체(流體)라고 부르는데, 유체가 나타내는 이러한 성질을 처음 발견한 과학자는 네덜란드에서 태어난 스위스의 수학자 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli, 1700-1782)이다.
물리학에서는 유체 속에서 일어나는 운동에 대한 연구를 ‘유체역학’ 또는 ‘유체동력학’(fluid dynamics)라 부른다. 야구 경기장의 투수는 공을 여러 가지 방법으로 회전시켜 던짐으로써 공이 곡선으로 날아가도록 한다. 이때도 공은 베르누이 원리에 의해 휘는 방향이 달라진다. 과학관에 가면 베르누이 원리를 응용한 전시물을 자주 볼 수 있다. 좁은 관 속으로 바람을 불어 물을 안개처럼 뿜도록 만든 분무기는 베르누이 원리를 잘 응용한 것이다.
베르누이의 원리에 의해 좁은 관 속에서 나타나는 효과는 따로 ‘벤투리 효과’(Venturi effect)라 하고, 이러한 목적으로 만든 관은 ‘벤투리관’(Venturi tube)이라 한다. 이탈리아의 과학자인 벤투리(G. B. Venturi, 1746-1822)는 베르누이 원리를 응용하여 물이나 향수를 안개처럼 뿌리는 분무기를 처음 만들었다.
비행기의 날개 단면을 보면 윗면이 불룩하여 아랫면보다 폭이 길다. 비행기가 전진하면 날개 윗면으로 흐르는 공기가 아랫면의 공기보다 빠르게 흐르게 되므로, 윗면쪽의 기압이 아랫면보다 낮아진다. 그 결과 비행기 날개는 기압이 낮은 윗면쪽으로 떠오르게 된다. 이것이 양력이다.
베르누이관 : 중간의 좁은 부분으로 유체가 지나가면 그 부분에서 유속이 빨라지므로 기압이 낮아져 액체 기둥의 높이(h)거 넞어잔더, 벤투리는 이 원리로 분무기를 처음 만들었다.
Bernoulli Equation
The Bernoulli Equation can be considered to be a statement of the conservation of energy principle appropriate for flowing fluids. The qualitative behavior that is usually labeled with the term "Bernoulli effect" is the lowering of fluid pressure in regions where the flow velocity is increased. This lowering of pressure in a constriction of a flow path may seem counterintuitive, but seems less so when you consider pressure to be energy density. In the high velocity flow through the constriction, kinetic energy must increase at the expense of pressure energy.
Steady-state flow caveat: While the Bernoulli equation is stated in terms of universally valid ideas like conservation of energy and the ideas of pressure, kinetic energy and potential energy, its application in the above form is limited to cases of steady flow. For flow through a tube, such flow can be visualized as laminar flow, which is still an idealization, but if the flow is to a good approximation laminar, then the kinetic energy of flow at any point of the fluid can be modeled and calculated. The kinetic energy per unit volume term in the equation is the one which requires strict constraints for the Bernoulli equation to apply - it basically is the assumption that all the kinetic energy of the fluid is contributing directly to the forward flow process of the fluid. That should make it evident that the existence of turbulence or any chaotic fluid motion would involve some kinetic energy which is not contributing to the advancement of the fluid through the tube.
It should also be said that while conservation of energy always applies, this form of parsing out that energy certainly does not describe how that energy is distributed under transient conditions. A good visualization of the Bernoulli effect is the flow through a constriction, but that neat picture does not describe the fluid when you first turn on the flow.
Another approximation involved in the statement of the Bernoulli equation above is the neglect of losses from fluid friction. Idealized laminar flow through a pipe can be modeled by Poiseuille's law, which does include viscous losses resulting in a lowering of the pressure as you progress along the pipe. The statement of the Bernoulli equation above would lead to the expectation that the pressure would return to the value P1 past the constriction since the radius returns to its original value. This is not the case because of the loss of some energy from the active flow process by friction into disordered molecular motion (thermal energy). More accurate modeling can be done by combining the Bernoulli equation with Poiseuille's law. A real example which might help visualize the process is the pressure monitoring of the flow through a constricted tube.