아르키메데스 원리 (부력): 그것이 무엇이며 왜 중요한가?

유람선과 항공 모함은 많은 강철을 포함하여 수십만 톤의 재료로 만들어지며 떠 있습니다. 그러나 갑판에서 무거운 금속 닻을 던지면 바다 바닥으로 가라 앉을 것입니다. 왜?

아르키메데스의 원리는 물체가 유체에 떠 있거나 가라 앉는 방식을 설명합니다. 뉴턴 물리학에서는 부력으로 표현됩니다.

아르키메데스는 기원전 287 년경부터 살았던 그리스 고전 사상가이자 땜장이였습니다. 기원전 212 년까지 시칠리아 섬의 고대 그리스 도시 국가 인 시러큐스에서 젊은 시절 아르키메데스는 당시 세계에서 가장 큰 도서관 인 이집트의 알렉산드리아 도서관에서 공부하기 위해 여행했습니다.

파이를 가장 정확한 값으로 계산하는 것을 포함하여 그의 많은 수학적 공식으로 유명합니다. 전자 계산기가 등장했고, 그는 또한 자신의 수학을 물리학에 적용한 최초의 과학자 중 한 명이었습니다. 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 아르키메데스가 부력을 설명하는 원리 발견, 또는 어떻게 떠오르는 지는 과학사에서 가장 유명한 이야기 ​​중 하나의 중심에 있습니다.

그 시대의 시칠리아 폭군 인 히에로 2 세 왕은 순금으로 만들어지지 않은 것으로 의심되는 새로운 왕관을 받았다고합니다. 왕관 제작자가 그로부터 일부 원자재를 훔쳐서 대신은을 위해 왕관에 재료를, Hiero는 섬에 거주하는 천재 아르키메데스에게 갔다. 도움.

전설에서 알 수 있듯이 아르키메데스는 욕조의 문제를 숙고하고 있었는데 그가 물에 들어갔다 나올 때 수위가 예측 가능한 양만큼 올라간다는 것을 알았을 때. 이때 그는 "유레카!"라고 외쳤다 고한다. ( "I 've found it!"), 이제 발견과 통찰에 지워지지 않게 붙은 단어.

아마도 목욕 과학자는 두 가지 아이디어를 모았습니다. 첫째, 같은 부피의 두 물체에 대해 밀도가 높은 물체가 더 많은 질량을 갖는다는 것입니다. 둘째, 물에 잠긴 물체가 차지하는 공간이 많을수록 떨어 뜨렸을 때 더 많은 액체가 옮겨집니다 (욕조에 들어가는 성인이 아기보다 더 많은 물을 흘립니다).

그래서 아르키메데스는 왕관의 무게를 안다면 순금과 같은 무게를 모아서 두 물체를 물에 담그고 물이 얼마나 움직 였는지 비교해볼 수 있다고 생각했습니다. 동등하다면 왕관은 합법적이었습니다. 금이 더 깊이 가라 앉아 더 많은 물을 이동했다면 왕관은 덜 밀도 순금보다, 왕관 제작자가 실제로 왕을 속였다는 것을 의미합니다.

결과적으로 왕관은 순수하지 않았습니다. 아르키메데스에게는 승리했지만 왕관 제작자에게는 재앙이 될 수 있습니다.

Archimedes가 B.C. 2 세기에 알고 있듯이 유체의 밀도는 단위 부피당 질량의 척도입니다. 수학적으로 이것은 다음과 같습니다.

동일한 부피에 더 많은 질량이 압착 될수록 물체의 밀도가 높아집니다. 물체의 밀도가 자신이 발견하는 유체보다 크면 가라 앉을 것입니다.

한편, 밀도가 더 높은 유체는 그 안에 놓인 물체에 더 큰 부력을가합니다.

이러한 개념은 사람들이 매우 쉽게 꼭대기에 떠 다니는 이유를 설명하는 데 도움이됩니다. 그레이트 솔트 레이크 또는 사해와 같은 짠 호수 또는 바다는 밀도가 낮은 물.

유체 압력은 부력을 더 자세히 설명하는 데 도움이됩니다.

일반적으로 압력은 단위 면적당 힘. 모든 유체에는 내부 압력이있어 유체에 잠긴 물체를 밀어냅니다. 물에 의해 물체에 가해지는 단위 면적당 힘은 물이 물체를 누르는 모든면에서 발생합니다.

또한 유체 압력은 유체의 밀도와 깊이에 따라 달라집니다. 물체가 유체에 더 깊어 질수록 물이 더 많은 유체 압력을가합니다. 이것은 물 속의 보트와 같은 것을 의미하며, 보트의 측면이 안쪽으로 밀리는 느낌보다 보트의 바닥이 위로 밀리는 더 많은 유체 압력을 경험합니다.

Archimedes의 욕조 일화에서 알 수 있듯이 물체에 대한 유체의 힘 또는 부력을 측정하는 편리한 방법은 물에 잠길 때 해당 물체에 의해 변위되는 물을 정량화하는 것입니다.

이것은 부력이 물체가 변위하는 유체의 무게와 같기 때문에 사실입니다. 즉, 강에 떠있는 카누의 경우 발사시 밀어내는 강물의 양은 물의 양과 동일합니다. 그것은 카누의 잠긴 부분을 채울 것입니다 (그러나 보트 내부의 많은 부분이 현재 수면 아래에 있습니다).

그 이유는 물체의 상단과 하단의 압력 차이로 인해 물체의 무게와 이재민의 무게 사이의 차이와 동일한 순 상향 힘 체액.

예를 들어, 물에 잠긴 큐브를 생각해보십시오. 큐브 주변의 유체 압력에서 나오는 힘 벡터는 안쪽으로 향하지만 유체에서 더 낮은 벡터는 더 큽니다.

따라서 물에 잠긴 물체의 상단에 압력이 가해지면 하향 힘이 발생하고 아래쪽의 압력은 위쪽으로 향하는 벡터가 더 크기 때문에 위쪽으로 힘을가합니다. 될 순 상향 부력 큐브에. 이 힘이 적어도 중력으로 인한 추가 하향 힘 또는 큐브의 무게와 같으면 떠 다니게됩니다.

물체가 유체에 놓여있을 때 물체의 무게는 변위 된 유체의 무게와 완벽하게 일치합니다. 그러나 물체가 변위 된 유체보다 무게가 더 나가면 물체에 가해지는 순 힘은 아래쪽으로 가라 앉게됩니다. 대체 된 물보다 무게가 적 으면 위쪽으로 가속됩니다.

두 경우 모두 물체의 부피와 그것이 대체하는 유체의 부피가 정해진 양이기 때문에, 무게 (중력에 작용하는 중력)의 유일한 차이는 대중. 밀도는 단위 부피당 질량이기 때문에 물체의 밀도는 물체가 가라 앉을 것인지 떠날 것인지를 결정하는 또 다른 방법입니다. 유체보다 밀도가 높은 물체는 가라 앉을 것이고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

이 모든 개념을 종합하면 물리학자는 이제 믿을 수 없을 정도로 무거운 항공 모함, 선박 또는 유람선은 밀도보다 더 큰 밀도를 가진 강철과 같은 재료로 만들어 지더라도 부유 할 수 있습니다. 물. 보트에 의해 이동되는 물의 양이 보트의 무게와 같으면 보트에 가해지는 부력은 중력의 하향 당기는 힘을 방해합니다.

다시 말해, 선박 내부에 수면 아래에 충분한 공간이있는 한, 선박은 항해 측면에서 볼 때 정말 큰 선체입니다. 그러나 배가 단단한 강철 직사각형이거나 거대한 단단한 강철 앵커라면 부유하지 않음. 이러한 모양은 동일한 질량으로 만든 것만 큼 많은 물을 대체하지는 않지만 수천 개의 잠자는 선실이있는 유람선처럼 내부에 큰 격리 영역을 갖도록 구성되었습니다.

이 기사는 유체와 특히 물에 떠있는 선박에 초점을 맞추었지만 아르키메데스의 원리는 가스에도 적용됩니다. 헬륨과 열기구는 모두 선박과 같은 방식으로 떠 다니는 물체입니다. 그들은 풍선과 그화물의 질량과 동등한 질량의 공기를 대체합니다. 유레카!