부력 이해:공식, 예 및 일상 응용

수영장에서 수영할 때 가벼워진 느낌, 우물에서 물을 길을 때 양동이가 가벼워진 느낌을 경험해 본 적이 있나요? 그렇게 하면 해당 이벤트 중에 부력이 발생합니다. 부력 상태에서는 물이나 기타 액체 공급원에 담그면 신체가 중력이 당기는 방향과 반대되는 아래쪽 방향에서 힘을 받습니다.

이것이 바로 그러한 일이 발생하면 체중이 감소하는 이유입니다. 또한, 무게에 관계없이 바늘은 가라앉고, 페트병은 뜨는 이유가 바로 이것이다.

자, 이 글에서 우리는 부력이 무엇인지, 그 다이어그램, 적용, 목적, 원인, 유형 및 부력을 얻는 방법을 탐구할 것입니다. 또한 밀도와 관련 밀도에 대해 알아보고 물체가 물에 뜨거나 가라앉는 이유를 알게 됩니다.

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부력 또는 위로 밀어올리는 힘은 부분적으로 또는 완전히 잠겨 있는 물체의 무게에 반대되는 유체에 의해 가해지는 위쪽으로 힘을 가하는 것입니다. 물체를 뜨게 하는 힘이라고도 합니다. 부력은 정지 유체에 담긴 물체의 반대쪽에 작용하는 압력의 차이가 있을 때 발생합니다.

부력은 부력에 의한 현상이므로 부력이라고도 합니다. 유체 기둥에서는 위에 놓인 유체의 무게로 인해 깊이에 따라 압력이 증가합니다. 따라서 유체 기둥 바닥의 압력은 기둥 상단의 압력보다 큽니다.

마찬가지로, 유체에 잠긴 물체 바닥의 압력은 물체 상단의 압력보다 큽니다. 이 압력 차이로 인해 물체에 위쪽으로 힘이 가해집니다.

아르키메데스의 원리는 또한 힘의 크기는 압력 차이에 비례하고 액체를 대체하는 유체의 무게와 동일하다는 것을 설명했습니다. 그 힘은 물체를 떠있게 유지할 수 있습니다. 이것이 바로 물에 담긴 액체의 평균 밀도보다 평균 밀도가 큰 물체가 가라앉는 경향이 있는 이유입니다.

그러나 물체의 밀도가 유체보다 낮으면 힘이 물체를 떠있게 유지할 수 있습니다. 이는 중력장이 있거나 중력 이외의 힘으로 인해 가속되는 비관성 기준계에서만 발생합니다. 이는 '하향' 방향을 정의하는 것입니다.

부력의 단위는 뉴턴(N)입니다

따라서 부력은 물체를 유체에 넣거나 잠길 때 물체나 신체에 유체가 가하는 위쪽으로 힘을 가하는 힘으로 정의할 수 있습니다.

물체의 부력 중심은 변위된 유체 부피의 무게 중심입니다. 힘이 작용하는 물체의 지점 또는 부력이 가해지는 지점입니다. 부력은 수직이므로 부력 중심은 물에 잠긴 물체에 의해 대체되는 액체의 무게 중심에 위치한 지점입니다.

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애플리케이션

부력의 적용은 물체를 물 속에 떠 있게 유지할 수 있기 때문에 매우 광범위하며, 이는 우리 인간이 없이는 할 수 없는 일입니다. 부력은 잠수함과 열기구에 사용됩니다. 심지어 물고기와 수영하는 사람도 같은 원리를 사용합니다. 다음은 실제 세계에서 부력을 적용한 몇 가지 예입니다.

• 열기구: 대기에는 모든 물체에 부력을 가하는 공기가 포함되어 있기 때문입니다. 뜨거운 공기가 담긴 풍선은 부력으로 인해 뜨게 되고, 풍선의 무게가 부력보다 커지면 하강하게 됩니다. 이는 무게가 부력과 같아지면 풍선이 정지하게 되기 때문입니다.
• 잠수함: 잠수함은 부력의 원리를 잘 활용합니다. 잠수함에는 해수면에서 위치와 깊이를 제어하는 ​​데 사용되는 대형 밸러스트 탱크가 있습니다. 잠수함에서는 밸러스트 탱크에 물이 유입되어 부력보다 무게가 커지게 됩니다.
• 선박: 배가 바다 표면에 떠 있을 수 있는 이유는 배에 의해 대체된 물의 양이 배의 무게와 같은 무게를 갖기에 충분하기 때문입니다. 선박은 속이 빈 모양으로 제작되므로 선박의 전체 밀도가 바닷물보다 적습니다. 이것이 배에 작용하는 부력이 배의 무게를 지탱할 만큼 큰 이유입니다.
• 물고기: 앞서 언급한 것처럼 일부 특정 물고기 그룹과 수영하는 사람들도 아르키메데스의 원리를 사용하여 물 속에서 위아래로 움직입니다. 물 표면으로 올라가기 위해 물고기는 부레(공기낭)를 가스로 채웁니다. 이 가스는 자신의 몸에서 방광으로 확산되어 몸이 가벼워지고 물고기가 올라갈 수 있게 됩니다.

수식

부력 공식 (아르키메데스의 원리라고도 함) )은

부력(Fb)=ρ⋅V⋅g\text{부력(} F_b \text{)} =\rho \cdot V \cdot g

장소:

• FbF_b =부력 (뉴턴 단위, N)

• ρ\rho =유체의 밀도 (kg/m³ 단위)

• VV =변위된 유체의 양 (m³ 단위)

• gg =중력으로 인한 가속도 (≒ 9.81m/s²)

예:

물체가 0.5m³ 이동하는 경우 물 (밀도 =1000kg/m³), 부력은 다음과 같습니다.

Fb=1000⋅0.5⋅9.81=4905 NF_b =1000 \cdot 0.5 \cdot 9.81 =4905 \, \text{N}

이는 물이 4905뉴턴의 위쪽 힘을 발휘한다는 것을 의미합니다. 개체에.

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부력의 원인과 예

부력은 물체가 담긴 유체에 의해 가해지는 압력에 의해 발생한다는 것을 반드시 알아야 합니다. 또한 물체가 받는 부력은 항상 위쪽을 향합니다. 이는 유체의 압력이 깊이에 따라 증가하기 때문입니다. 부력의 몇 가지 예는 다음과 같습니다:

• 물 위에 떠 있는 배나 배
• 물에 담근 코르크 마개는 부력으로 인해 뜨게 됩니다.
• 수영선수는 부력의 좋은 예입니다.
• 물 위에 떠 있는 배 – 배의 무게는 물에서 위로 올라가는 부력에 의해 균형을 이룹니다.
• 하늘로 떠오르는 열기구 – 풍선 내부의 따뜻한 공기는 외부의 차가운 공기보다 밀도가 낮아 부력을 생성합니다.
• 바다에 떠 있는 빙산 – 얼음은 바닷물보다 밀도가 낮아서 떠다닙니다.
• 등을 대고 떠다니는 수영선수 – 인간의 몸이 떠 있을 수 있는 이유는 폐에 있는 공기와 물보다 밀도가 낮은 체지방 덕분입니다.
• 강에 떠 있는 나무 조각 – 나무는 물보다 밀도가 낮기 때문에 뜹니다.
• 욕조에 떠 있는 고무오리 – 오리는 속이 비어 있고 가벼운 디자인으로 인해 부력이 좋습니다.
• 사람을 물에 띄워주는 구명조끼 – 구명조끼는 공기를 가두어 전체적인 부력을 높여줍니다.
• 바닷물에 떠다니는 기름 유출 – 기름은 물보다 밀도가 낮아서 뜨게 됩니다.
• 공중으로 떠오르는 헬륨 풍선 – 헬륨은 공기보다 가벼워서 풍선에 부력을 줍니다.
• 부레를 사용하여 깊이를 조절하는 물고기 – 물고기는 부레의 가스량을 변경하여 부력을 조절합니다.
• 밸러스트 탱크를 조정하여 부유하거나 잠수하는 잠수함 – 잠수함은 탱크 내의 공기와 물을 사용하여 부력을 조절합니다.
• 바다 파도에 흔들리는 비치볼 – 공기로 가득 차 있고 물 위에 떠 있을 만큼 충분한 물을 대체합니다.
• 무거운 컨테이너를 싣고 떠다니는 화물선 – 하중에도 불구하고 선체는 부력을 유지할 만큼 충분한 물을 이동시킵니다.
• 호수에 떠 있는 밀봉된 빈 병 - 내부 공기가 부력을 유지합니다.
• 라바 램프의 방울이 오르락 내리락 – 왁스 방울의 가열 및 냉각으로 인해 부력이 변화합니다.
• 웅덩이에 떠 있는 종이배 – 가벼운 종이 구조는 (일시적으로) 물에 떠 있을 만큼 충분한 물을 대체합니다.
• 축제 기간 동안 떠다니는 등불 – 내부의 뜨거운 공기로 인해 주변의 시원한 공기 속에서 부력을 받게 됩니다.
• 수영장에 던졌을 때 떠다니는 플라스틱 용기 – 용기는 물보다 밀도가 낮습니다.
• 소다 표면으로 떠오르는 기포 – 거품은 액체보다 가볍기 때문에 부력에 의해 위로 올라갑니다.
• 강에 떠 있는 타이어 튜브 – 공기로 채워져 무게를 지탱하고 떠다니기에 충분한 물을 대체합니다.

부력의 종류

다음은 다양한 유형의 부력입니다. 부력에는 양성 부력, 음성 부력, 중성 부력의 세 가지 유형이 있습니다.

양의 부력 유형은 잠긴 물체가 옮겨진 유체보다 가벼울 때 발생합니다. 이것이 물체가 떠다니는 이유이다. 음의 부력 유형은 물에 잠긴 물체의 밀도가 옮겨진 유체의 밀도보다 높아 물체가 가라앉는 경우입니다.

마지막으로, 중립 유형의 부력은 잠긴 물체의 무게가 변위된 유체와 같을 때 발생합니다. 다음은 다양한 유형의 부력에 영향을 미칠 수 있는 요소입니다.

• 유체의 밀도.
• 변위된 유체의 부피도 부력에 영향을 줄 수 있습니다. 마지막으로,
• 중력으로 인한 국부 가속도

부력에 영향을 주지 않는 요소에는 물에 잠긴 물체의 밀도와 물에 담긴 물체의 질량도 포함됩니다.

밀도 및 상대밀도

부력의 개념을 이해하기 위해서는 밀도와 상대밀도의 개념을 제대로 이해해야 합니다.

재료의 밀도는 단위 부피당 질량으로 정의할 수 있습니다. 물질이 얼마나 촘촘하게 뭉쳐져 있는지를 측정하는 것입니다. 수치적으로는 다음과 같이 정의됩니다:

밀도, ρ=질량체적=MV

• SI 밀도 단위는 입방미터당 킬로그램(kg/m3)을 사용하여 측정됩니다.
• 밀도는 섭씨 100°에서 입방센티미터당 0.9584g입니다.

물질의 상대 밀도는 C에서 물의 밀도에 대한 물질의 밀도의 비율로 정의됩니다. 물질의 비중이라고도 합니다.
상대밀도 =물질의 밀도/4°C에서의 물의 밀도

상대밀도는 비슷한 양의 비율이므로 단위가 없습니다.

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물체가 물에 뜨거나 가라앉는 이유

물체가 물에 뜨거나 가라앉는 이유는 물이 겹쳐진 층으로 구성되어 있다고 상상할 때 고려될 수 있습니다. 그것은 다양한 압력에 따른 것입니다. 액체 바닥의 압력은 상단의 압력보다 높기 때문에 일부 층에서는 액체에 가라앉습니다. 이러한 층은 물체가 가라앉을수록 증가하는 경향이 있습니다.

유체층의 압력 차이로 인해 보충력이 위쪽 방향으로 가해집니다. 이 힘은 물에 잠긴 물체를 위쪽 방향으로 가속시키는 결과를 낳습니다. 힘은 항상 수직 방향으로 작용합니다.

즉, 상승하는 힘의 크기는 기본적으로 최상층의 압력차와 같다고 할 수도 있다. 마지막 층도 대체된 유체의 무게와 동일합니다.

위 개념의 결과는 우리가 부동이라고 부르는 것입니다. 물체는 물보다 밀도가 낮아야 합니다. 그렇지 않으면 밀도가 높아지면 물체가 가라앉게 됩니다.

결론

부력은 그 안에 잠겨 있는 물체의 무게에 반대되는 유체에 의해 위쪽으로 가해지는 힘입니다. 이 기본 원리는 물체가 뜨거나 가라앉는 이유를 설명하고 유체 역학, 조선, 항공학, 심지어 기상 시스템에서도 중요한 역할을 합니다.

아르키메데스의 원리에 따라 부력은 대체된 유체의 무게와 물체의 밀도에 따라 달라집니다. 부력을 이해하면 부유 구조물을 설계하고 유체 거동을 예측하며 실제 공학 및 과학 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다.

부력에 관한 FAQ

부력이란 무엇인가요?

부력은 그 안에 담긴 물체의 무게를 지탱하는 유체(액체 또는 기체)가 위쪽으로 가하는 힘입니다.

물체가 뜨는지 가라앉는지 결정하는 것은 무엇인가요?

물체의 밀도가 유체의 밀도보다 낮으면 뜨게 됩니다. 더 많으면 가라앉습니다.

아르키메데스의 원리는 무엇인가요?

물에 잠긴 물체에 가해지는 부력은 그 물체가 대체하는 유체의 무게와 같다고 명시되어 있습니다.

부력은 기체에도 적용되나요?

예, 부력은 액체와 기체 모두에 적용됩니다. 예를 들어 열기구가 대기에서 상승하는 방식이 있습니다.

부력이 음수가 될 수 있나요?

그렇습니다. 물체의 무게가 부력을 초과하면 음의 부력을 갖게 되어 가라앉게 됩니다.

강철로 만든 배는 왜 뜨나요?

강철은 밀도가 높지만 선박은 무게보다 더 큰 부력을 생성하기에 충분한 물을 대체하는 속이 빈 모양으로 설계되었습니다.

https://studentlesson.com/buoyancy-definition-applications-목적-causes-types/