부력이 없으면 물고기는 헤엄 칠 수없고, 보트는 떠오를 수 없으며, 헬륨 풍선 몇 개로 날아가는 꿈은 훨씬 더 불가능할 것입니다. 이 힘을 자세히 이해하려면 먼저 유체를 정의하고 압력과 밀도가 무엇인지 이해해야합니다.
유체 대. 액체
일상적인 대화에서체액과액체교환 할 수 있습니다. 그러나 물리학에는 구별이 있습니다. 액체는 일정한 부피와 용기 바닥에 맞게 형태를 바꾸는 능력으로 정의되는 특정 물질 상태입니다.
액체는 유체의 한 유형이지만, 유체는 고정 된 모양이없고 흐를 수있는 물질로보다 광범위하게 정의됩니다. 따라서 액체와 기체를 모두 포함합니다.
유체 밀도
밀도는 단위 부피당 질량의 척도입니다. 각면에 1 미터의 큐빅 용기가 있다고 가정합니다. 이 컨테이너의 부피는 1m × 1m × 1m = 1m입니다.3. 이제이 용기에 특정 물질 (예: 물)을 채운 다음 무게를 킬로그램 단위로 측정한다고 가정합니다. (이 경우 약 1,000kg) 물의 밀도는 1000kg / 1m입니다.3 = 1000kg / m3.
밀도는 본질적으로 물질이 물질에 얼마나 밀집되어 있는지를 나타내는 척도입니다. 가스를 압축하면 더 조밀하게 만들 수 있습니다. 액체는 쉽게 압축되지 않지만 비슷한 방식으로 약간의 밀도 차이가 발생할 수 있습니다.
이제 밀도는 부력과 어떤 관련이 있습니까? 계속 읽으면 더 분명해질 것입니다. 그러나 지금은 공기 밀도와 물의 밀도 사이의 차이와 각각에서 얼마나 쉽게 "떠 다니는지"(또는 그렇지 않은지) 고려하십시오. 빠른 사고 실험이며 밀도가 높은 유체가 더 큰 부력을 발휘한다는 것이 분명합니다.
유체 압력
압력은 단위 면적당 힘으로 정의됩니다. 질량 밀도가 물질이 얼마나 밀집되어 있는지를 나타내는 척도 인 것처럼, 압력은 힘이 얼마나 집중되어 있는지를 나타내는 척도입니다. 누군가가 스니커즈를 맨발로 밟는 경우와 스타일리시 한 펌프의 뒤꿈치로 맨발을 밟으면 어떻게 될지 생각해보십시오. 두 경우 모두 동일한 힘이 발휘됩니다. 그러나 굽이 높은 신발은 훨씬 더 많은 고통을 유발합니다. 힘이 훨씬 더 작은 영역에 집중되어 압력이 훨씬 더 크기 때문입니다.
이 동일한 원리는 날카로운 칼이 무딘 칼보다 잘 잘리는 이유에 기초합니다. 날카 롭고, 동일한 힘이 훨씬 더 작은 표면적에 적용될 수 있습니다. 익숙한.
누군가가 손톱 위에 누워있는 모습을 본 적이 있습니까? 그들이 고통없이 이것을 할 수있는 이유는 힘이 하나의 손톱과는 반대로 모든 손톱에 분산되어 손톱이 피부에 구멍을 낼 수 있기 때문입니다!
자, 이 압력 개념은 유체와 어떤 관련이 있습니까? 물이 채워진 컵이 있다고 가정합니다. 컵 측면에 구멍을 뚫 으면 물이 초기 수평 속도로 흘러 나오기 시작합니다. 수평으로 발사 된 발사체와 매우 흡사 한 호형으로 떨어집니다. 이것은 수평 힘이 그 액체를 옆으로 밀어내는 경우에만 발생할 수 있습니다. 그 힘은 액체의 내부 압력의 결과입니다.
모든 유체에는 내부 압력이 있지만 어디에서 오는가? 유체는 여러 개의 작은 원자 또는 분자로 구성되어 있으며 모두 이리저리 움직이고 끊임없이 서로 부딪칩니다. 서로 부딪히면 용기가 들어있는 용기의 측면에도 부딪 히게됩니다. 따라서이 측면 힘이 컵의 물을 구멍 밖으로 밀어냅니다.
유체에 잠긴 모든 물체는이 분자들이 부딪히는 힘을 느낄 것입니다. 힘의 총량은 유체와 접촉하는 표면적에 따라 달라 지므로이 힘에 대해 이야기하는 것이 좋습니다. 대신 압력의 관점에서-단위 면적당 힘으로-작용할 수있는 모든 물체에 대해 독립적으로 말할 수 있습니다. 의 위에.
유체가 용기의 측면이나 물에 잠긴 물체에 가하는 힘은 그 위에있는 유체에 따라 다릅니다. 구멍 위의 컵에있는 물이 중력으로 인해 그 아래의 물을 누르는 것을 상상할 수 있습니다. 이것은 유체의 압력에 기여합니다. 그 결과, 당연히 유체 압력은 깊이에 따라 증가합니다. 깊숙이 갈수록 더 많은 액체가 당신 위에 앉아 무게를 짓기 때문입니다.
수영장 바닥에 누워 있다고 상상해보십시오. 당신 위에있는 물의 순전 한 무게를 고려하십시오. 육지에서는 그 정도의 질량이 당신을 완전히 짓밟을 것이지만 물속에서는 그렇지 않습니다. 왜 이런거야?
음, 그것은 또한 압력 때문입니다. 당신 주위에있는 물의 압력은 당신 위에있는 물을 "지탱"하는데 기여합니다. 그러나 또한 자신의 내부 압력이 있습니다. 물이 당신에게 압력을 가할 때, 당신의 몸은 당신이 파열되는 것을 막아주는 외부 압력을가합니다.
부력이란?
부력은 유체의 압력으로 인해 유체의 물체에 가해지는 순 상향 힘입니다. 부력은 일부 물체가 떠 있고 모든 물체가 액체에 떨어질 때 더 느리게 떨어지는 이유입니다. 또한 헬륨 풍선이 공중에 떠 다니는 이유이기도합니다.
유체의 압력은 깊이에 따라 달라지기 때문에 물에 잠긴 물체의 바닥에 가해지는 압력은 항상 물에 잠긴 물체의 상단에 가해지는 압력보다 약간 더 큽니다. 이 압력 차이로 인해 순 상향 힘이 발생합니다.
그러나이 상승하는 힘은 얼마나 크고 어떻게 측정 할 수 있습니까? 이것이 아르키메데스의 원칙이 작용하는 곳입니다.
아르키메데스의 원리
아르키메데스의 원리 (그리스 수학자 아르키메데스의 이름을 따서 명명 됨)는 유체에있는 물체의 경우 부력이 변위 된 유체의 무게와 같다고 말합니다.
측면 길이의 잠긴 입방체를 상상해보십시오.엘. 큐브의 측면에 가해지는 압력은 반대쪽으로 상쇄됩니다. 유체로 인한 순 힘은 상단과 하단 사이의 압력 차이에 다음을 곱한 값입니다.엘2, 한 큐브면의 면적.
깊이에서의 압력디다음과 같이 지정됩니다.
P = \ rho gd
어디ρ유체 밀도이고지중력으로 인한 가속도입니다. 순 힘은 다음과 같습니다.
F_ {net} = (\ rho g (d + L)-\ rho gd) L ^ 2 = \ rho gdL ^ 3
잘,엘3 물체의 부피입니다. 큐브의 부피에 유체의 밀도를 곱한 값은 큐브에 의해 대체 된 유체의 질량과 동일합니다. 곱하기지무게 (중력에 의한 힘)로 만듭니다.
액체의 물체에 대한 순 힘
물에 잠긴 바위 나 떠 다니는 보트와 같은 액체 속의 물체는 위로 부력을 느끼지만 하향 중력 및 용기 바닥으로 인한 수직력 및 기타 힘 잘.
물체에 가해지는 순 힘은 이러한 모든 힘의 벡터 합이며 물체의 움직임 (또는 부족)을 결정합니다. 물체가 떠있는 경우에는 순 힘이 0이어야하므로 중력으로 인한 힘은 부력에 의해 정확히 상쇄됩니다.
가라 앉는 물체는 물체에 가해지는 부력보다 중력이 강하기 때문에 순 하향 힘을 갖게됩니다. 그리고 유체의 바닥에있는 물체는 부력과 수직력의 조합에 의해 중력이 상쇄됩니다.
부동 개체
아르키메데스 원리의 결과는 물체의 밀도가 유체의 밀도보다 작 으면 물체가 그 유체에 떠 다니는 것입니다. 이는 완전히 잠긴 경우 대체 할 수있는 유체의 무게가 자체 무게보다 클 것이기 때문입니다.
사실, 완전히 잠긴 물체의 경우, 변위 된 액체의 무게가 중력의 힘보다 크면 물체를 표면으로 보내는 순 상향 힘이 발생합니다.
일단 표면에 놓인 물체는 자신의 질량과 동등한 양이 변위 될 때까지 유체 속으로 충분히 깊이 가라 앉습니다. 이것이 떠 다니는 물체가 일반적으로 부분적으로 만 잠기고 밀도가 낮을수록 물에 잠기는 부분이 작아지는 이유입니다. (스티로폼 조각이 물에 떠있는 높이와 나무 조각의 높이를 고려하십시오.)
가라 앉는 물건
물체의 밀도가 유체의 밀도보다 크면 물체는 그 유체에 가라 앉습니다. 완전히 잠긴 물체에 의해 변위되는 물의 무게는 물체의 무게보다 적기 때문에 순 하향 힘이 발생합니다.
그러나 물체는 공기를 통과하는 것만 큼 빨리 떨어지지 않습니다. 순 힘이 가속도를 결정합니다.
중립 부력
특정 유체와 밀도가 같은 물체는 중성 부력으로 간주됩니다. 그 물체가 완전히 잠기면 물체가 매달린 깊이에 관계없이 부력과 중력은 동일합니다. 그 결과, 중성 부력이있는 물체는 액체 내에있는 곳에 머물 것입니다.
부력 예
예 1 :밀도가 3.2g / cm 인 0.5kg의 암석을 가정합니다.3 물에 잠겼습니다. 어떤 가속으로 물을 통해 떨어질까요?
해결책:바위에 작용하는 두 가지 경쟁 힘이 있습니다. 첫 번째는 아래로 작용하는 중력의 힘입니다.
F_g = mg = 0.5 × 9.8 = 4.9 \ text {N}
두 번째는 변위 된 물의 무게와 같은 부력입니다.
대체 된 물의 무게를 결정하기 위해서는 암석의 부피를 찾아야합니다 (이는 물의 부피와 동일합니다). 밀도 = 질량 / 부피이므로 부피 = 질량 / 밀도 = 500 / 3.2 = 156.25cm3. 여기에 물의 밀도를 곱하면 156.25 × 1 = 156.25 g 또는 0.15625 kg의 대체 된 물의 질량이됩니다. 따라서 위쪽 방향으로 작용하는 부력은에프비= 1.53 N.
순 힘은 아래쪽 방향으로 4.9 – 1.53 = 3.37 N입니다. 뉴턴의 제 2 법칙을 사용하여 가속도를 찾을 수 있습니다.
a = \ frac {F_ {net}} {m} = \ frac {3.37} {. 5} = 6.74 \ text {m / s} ^ 2.
예 2 :헬륨 풍선의 헬륨 밀도는 0.2kg / m입니다.3. 팽창 된 헬륨 풍선의 부피가 0.03m 인 경우3 풍선 자체의 라텍스 무게는 3.5g이며 해수면에서 방출 될 때 위로 떠오르는 가속도는 얼마입니까?
해결책:물 속의 암석의 경우와 마찬가지로 중력과 부력이라는 두 가지 경쟁력이 있습니다. 풍선의 중력을 결정하려면 먼저 총 질량을 찾으십시오. 풍선의 질량은 헬륨 밀도 × 풍선 부피 + 0.0035kg = 0.2 × 0.03 + 0.0035 = 0.0095kg입니다. 따라서 중력은 F입니다.지 = 0.0095 × 9.8 = 0.0931 N.
부력은 변위 된 공기의 질량에 중력으로 인한 가속도를 곱한 값입니다.
F_b = 1.225 \ times 0.03 \ times 9.8 = 0.36 \ text {N}
따라서 풍선의 순 힘은 F입니다.그물 = 0.36 – 0.0931 = 0.267 N. 따라서 풍선의 위쪽 가속은
a = \ frac {F_ {net}} {m} = \ frac {0.267} {0.0095} = 28.1 \ text {m / s} ^ 2.