우리는 중력이 물체를 끌어 당기는 힘이라고 배웠습니다.
그래서 모든 물체는 땅으로 떨어지게 되죠.
물 위에 놓아도 물속으로 가라앉습니다.
그런데 신기하게 하늘이나 물 위를 둥둥 떠다닐 수 있을 수도 있습니다.
어떻게 중력을 이기고 그 위로 떠다닐 수 있을까요?
5. 부력
1) 부력
(1) 부력의 정의
부력은 물체가 유체에 잠겨있을 때, 유체가 물체를 들어 올리는 힘입니다.
부력도 힘이므로, 당연히 N [뉴턴] 단위를 사용합니다.
그런데 이 부력은 어떻게 물체를 들어 올릴 수 있을 걸까요?
일단 부력을 설명하기 위해
잠깐 기압과 수압에 대해서 정리해보겠습니다.
압력은 누르는 힘을 말합니다.
공기가 누르는 힘을 공기압(기압)이라고 하고,
물이 누르는 힘을 수압이라고 하죠.
이 기압과 수압은 모든 방향에서 작용합니다.
평소에 공기는 우리를 모든 방향에서 누르고 있죠.
하지만 그 힘이 약해서 우리가 직접 느끼지 못할 뿐입니다.
마찬가지로 물체가 물에 잠기면, 모든 방향에서 물이 우리를 누릅니다.
하지만 공기와 다르게
물은 모든 방향에서 똑같은 힘으로 누르지는 않습니다.
그림과 같이 물체 옆면의 수압은 서로 상쇄됩니다.
물체의 위에 작용하는 수압은
물체의 아래에 작용하는 수압보다 약합니다.
그래서 물체의 아래에서 작용하는 수압이 남게 되죠.
이 힘이 바로 부력입니다.
(수압은 수심이 깊어질수록, 더 강해집니다.)
(2) 부력의 방향
물속에서 무언가를 들어보신 적이 있으신가요?
신기하게도 땅위에서는 무거운 물건이, 물속에서는 더 가볍게 느껴집니다.
왜 더 가볍게 들 수 있는걸까요?
우리가 물체의 무게를 느끼는 이유는 중력 때문입니다.
그리고 부력은 물속에서 물체를 위로 올리는 힘이죠.
우리가 물속에서 물체를 들면
들어 올리는 힘과 부력이 합쳐져 물체를 더 쉽게 들 수 있습니다.
결국, 부력은 중력과 반대 방향으로 작용합니다.
(3) 부력의 크기
용수철저울에 물체를 달고 물속에 넣으면,
처음 측정했던 값보다 작은 값을 갖게 됩니다.
이를 이용하여, 아래 그림처럼 부력의 크기를 잴 수 있습니다.
그렇다면 이 부력의 크기는 무엇을 기준으로 커지고 작아지는 것 일까요?
물이 가득 들어있는 컵에 돌을 넣으면, 물이 넘치게 됩니다.
이때 넘치는 물의 양은 돌의 부피와 같습니다.
결국, 부력은 물 속에 잠긴 물체의 부피에 따라 커지고 작아집니다.
물체의 부피가 크다면, 부력이 커지고
물체의 부피가 작다면, 부력이 작습니다.
2) 부력의 활용
부력이 크다고, 모두 물에 뜰 수 있는 것은 아닙니다.
반대로 부력이 작다고, 모두 가라앉는 것은 아니죠.
물체가 뜨는 것은 부력과 중력의 크기에 관계가 있습니다.
중력은 물체의 질량에 따라 다르게 작용합니다.
그래서 중력은 부력보다 강할 수도 있고, 작을 수도 있습니다.
부력이 중력보다 강하거나 같으면, 물체가 뜨게 됩니다.
그러나 부력이 중력보다 약하면, 물체는 가라앉습니다.
이를 이용하면 물체를 물에 띄울 수 있습니다.
중력보다 강한 부력을 갖도록 부피를 키우는 것이죠.
튜브, 배, 헬륨 풍선, 부표, 비행선(비행기 아닙니다.) 등등
다양한 것들이 중력보다 강한 부력을 갖도록 부피를 키운 사례입니다.
[정리]
1) 부력: 유체에 물체가 잠겨있을 때, 유체가 물체를 들어 올리는 힘
2) 부력: 중력과 반대 방향으로 작용
3) 부력의 크기: 물체의 부피에 비례
물체의 부피가 크다면 부력이 커집니다.
물체의 부피가 작다면 부력이 작아집니다.
4) 물체가 뜨는 것은 부력과 중력에 영향을 받습니다.
부력이 중력보다 크거나 같다면 물체는 뜰 수 있습니다.
부력이 중력보다 작다면 물체는 가라앉습니다.
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