STEM 시뮬레이션 소프트웨어: 압력, 유동, 부력, 열을 보세요

바꿀 수 있고, 반응도 볼 수 있는 물리

교과서에서 압력, 부력, 열전달은 도표와 수식입니다. Visaria에서는 그 하나하나가 실시간 실험입니다. 장면을 구성하고 실행을 누르면 물리가 사용자의 그래픽 카드에서 3D로 펼쳐집니다. 그다음 한 가지를 바꾸면 그것이 정확히 무슨 역할을 하고 있었는지 보입니다.

중고등학생, 대학생, 교사, 메이커, 취미 애호가, 그리고 사물이 어떻게 작동하는지 궁금한 모든 분께 어울립니다.

이 페이지의 모든 예제는 같은 생각에 바탕을 둡니다. 변수 하나를 바꾸고, 반응을 보고, 다시 되돌리는 것입니다. 과학자와 엔지니어가 직관을 쌓는 방식이며, 긴 계산 끝이 아니라 몇 초 만에 반응이 돌아올 때 훨씬 쉬워집니다.

압력, 속도, 유동

공기 흐름 속에 형상을 놓으면 Visaria는 주변 공간을 압력이나 속도에 따라 색으로 표시하고, 공기가 어디로 가는지 보여 주는 유선을 그립니다. 형상 앞쪽에 압력이 쌓이고, 공기가 주위에서 가속되며, 유동이 표면에서 떨어지고, 뒤쪽에 소용돌이치는 난류 후류가 생기는 모습을 볼 수 있습니다.

• 공기의 속도를 바꾸고 압력과 후류가 어떻게 반응하는지 보세요.
• 형상을 뭉툭한 블록에서 매끈한 유선형으로 바꾸고 후류가 어떻게 줄어드는지 보세요.
• 움직이는 도로를 켜 보세요. 차량 아래의 유동이 바뀝니다.
• 유동이 안정되는 동안 항력과 양력 값을 읽어 설계가 어떻게 동작하는지 가늠해 보세요.

풍동과 같은 개념이지만 풍동은 없습니다. 자세한 내용은 가상 풍동 페이지를 보세요.

열이 부력을 만듭니다

따뜻한 공기는 차가운 공기보다 밀도가 낮아서 위로 올라갑니다. 그래서 라디에이터가 방 전체를 데우고, 촛불 불꽃이 위로 길게 뻗으며, 열기구가 뜨는 것입니다. Aero와 Thermal 솔버에서는 이것이 일어나는 모습을 볼 수 있습니다. 정지한 공기 속에 가열된 물체를 놓으면 따뜻한 공기 기둥이 올라가며 아래에서 더 찬 공기를 끌어들입니다. 엔지니어들은 이 결과를 자연 대류라고 부릅니다.

부력은 켜고 끌 수 있는 물리 효과입니다. 끄면 열은 열전도와 사용자가 설정한 유동으로만 공기 중에 퍼집니다. 켜면 열이 스스로 유동을 일으키고 전체 그림이 바뀝니다. 같은 장면에서 두 경우를 비교하는 것이 부력이 실제로 무엇을 더하는지 이해하는 가장 빠른 방법입니다.

물리 효과를 켜고 끄기

실제 열전달은 여러 효과가 동시에 일어나는 현상입니다. 고체를 통한 전도, 움직이는 유체가 운반하는 대류, 밀도 차이에서 비롯되는 부력, 표면 사이의 복사가 그것입니다. 각각이 얼마나 기여하는지는 머릿속으로 생각해서는 알기 어렵습니다. Visaria에서는 열 솔버에서 이들을 켜고 끄며 반응을 볼 수 있습니다.

• 전도만. 열은 재료 속을 천천히 퍼지고 공기는 관여하지 않습니다.
• 대류 추가. 움직이는 공기가 열을 실어 나르므로 팬이나 바람이 온도에 눈에 띄는 차이를 만듭니다.
• 부력 추가. 팬이 있든 없든 따뜻한 공기가 스스로 올라갑니다.
• 복사 추가. 뜨거운 표면이 사이 공간을 가로질러 주변과 열을 주고받습니다.

실행 결과를 비교하면 주어진 상황에서 어떤 효과가 가장 중요한지, 그리고 히트싱크에 핀이 있는 이유를 알 수 있습니다. 보이는 모습은 시나리오에 따라 달라지므로 같은 스위치를 다른 구성에서도 시도해 보세요.

올라가는 기체와 가라앉는 기체

부력은 양방향으로 작용합니다. 공기보다 가벼운 기체는 올라가 천장을 따라 퍼지고, 더 무거운 기체는 가라앉아 바닥 근처에 고입니다. Aero와 Gas 솔버에서는 기체를 고르고, 들어오는 위치와 속도를 정하고, 기류를 조금 더한 뒤 기체 기둥을 관찰합니다. 학습 허브의 '부력은 얼마나 강력한가' 주제가 준비된 시나리오로 연결해 줍니다.

자세한 내용은 기체 확산 시뮬레이션을 보세요.

점도는 모든 것을 바꿉니다

점도는 유체가 흐름에 저항하는 정도, 즉 얼마나 '끈적한가'입니다. 정의하기는 쉽지만 머릿속에 그리기는 의외로 어렵습니다. Visaria에서는 점도를 바꾸고 그 결과를 볼 수 있습니다. 묽은 유체는 장애물 주위를 빠르게 흐르다 소용돌이로 부서지고, 더 끈적한 유체는 매끄럽고 느린 층으로 움직이며 표면에 더 오래 달라붙습니다. 같은 실험이 물과 공기 모두에서 가능하며, 후류의 모양, 표면 가까이의 층, 유동이 안정되는 방식이 모두 점도에 따라 달라집니다.

점도를 달리해 같은 장면을 두 번 실행하거나, 같은 유체에서 장애물만 바꿔 보세요. 원기둥과 여러 블록 주위를 흐르는 물은 실행할 때마다 크게 달라 보이고, 그 이유를 이해하는 것이 유체역학을 이해하는 시작입니다.

파도, 슬로싱, 자유 표면

액체 및 파동 역학 솔버는 물과 공기의 경계인 자유 표면을 다룹니다. 용기를 채우고 비우고, 파도를 일으키고, 물이 벽에 부딪혀 출렁이고 튀는 모습을 보고, 장애물을 떨어뜨려 볼 수 있습니다. 파도는 반사되고, 간섭하고, 부서지는데, 이는 도표보다 3D로 볼 때 훨씬 이해하기 쉽습니다. 자세한 내용은 물 시뮬레이션을 보세요.

과목별 실험

• 물리, 중학교 과학부터 고등학교까지. 움직이는 유체의 압력과 속도, 유동 속 물체에 작용하는 힘, 부력, 밀도, 파동의 거동.
• 과학과 열. 전도, 대류, 복사, 자연 대류, 재료가 뜨겁거나 차갑게 느껴지는 이유, 기체의 거동.
• 공학과 기술. 자동차, 모형 로켓, 교각, 히트싱크의 형상을 시험해 보세요. 3D 프린팅 또는 CAD 프로그램의 STL 파일을 가져오거나, 메시 빌더에서 간단한 도형으로 만들 수 있습니다.
• 수학과 정보. 시뮬레이션이 어떻게 작동하는지: 격자, 경계 조건, 수렴, 그리고 세부를 늘릴수록 계산량이 늘어나는 이유. 학생을 위한 CFD 페이지에서 다룹니다.

구조 해석(FEA), 즉 힘, 응력, 동역학은 향후 솔버로 계획되어 있으며 아직 사용할 수 없습니다.

스스로 설명하도록 설계되었습니다

Visaria에는 데모와 시나리오 설정으로 바로 연결되는 단계별 가이드, 풍부한 툴팁, 검색 가능한 용어집과 매개변수 참고 자료가 있는 학습 허브가 포함되어 있습니다. 또한 앱의 '작동 원리' 페이지에서는 각 솔버가 어떻게 작동하는지, 핵심 원리와 매개변수, 좋은 결과를 얻기 위한 주요 주의점을 개괄적으로 설명합니다. 그래서 스스로 학습하는 데도, 교사가 설정을 바꾸면 어떤 일이 생기는지 학급에 보여 주는 데도 적합합니다.

이 도구가 무엇인지 솔직하게 말씀드립니다

Visaria는 거친 복셀 격자와 실시간 사용에 맞춰 조정된 솔버를 사용하므로 결과는 참고용입니다. 물리가 어떻게 동작하는지 이해하도록 돕기 위해 만들어졌으며, 검증된 공학 수치를 내기 위한 것이 아닙니다. 설계 승인, 인증, 안전 관련 판단에는 사용하지 마세요.

학생, 교사, 그리고 체험해 보기

7일 무료 체험에는 Aero, Gas, Thermal, Water 솔버와 학습 허브 샘플 이용이 포함되며 결제 카드는 필요 없습니다. Visaria는 만 13세 이상을 대상으로 합니다. 만 16세 이상으로 전일제로 공부하는 분께는 요청 시 할인된 학생용 라이선스를 제공합니다(만 18세 미만이면 부모 또는 보호자가 신청하고 구매합니다). 교사와 강사는 수업, 실험실, 학과용 라이선스에 대해 education@visaria.dev로 문의할 수 있습니다. 표준 플랜은 요금을 참고하세요.

먼저 컴퓨터를 확인하세요. Visaria는 Windows에서 실행되며 전용 그래픽 카드가 필요합니다. 최소 NVIDIA GeForce GTX 1050 또는 AMD Radeon RX 560, 권장은 RTX 2060 또는 RX 5600 XT 이상이며, 8세대 Intel Core i5(또는 동급) 프로세서와 8GB 메모리를 권장합니다. Mac 및 Linux 버전은 곧 출시됩니다. 컴퓨터에서 잘 실행되는지 확인하는 가장 빠른 방법은 무료 체험입니다. 많은 학교 컴퓨터에는 전용 그래픽 카드가 없으므로 실제로 사용할 컴퓨터에서 체험해 보세요. 데스크톱에 전용 그래픽 카드가 없다면, 괜찮은 전용 그래픽 카드를 150달러 미만으로 추가할 수 있으며 좋은 투자입니다. 전반적인 성능이 크게 향상되고 Visaria의 진가가 발휘됩니다.