소개글
"자연계에서 평형상태가 안되는 이유"에 대한 내용입니다.
목차
1. 평형상태와 부력
1.1. 평형의 개념
1.2. 부력의 정의와 원리
1.3. 아르키메데스 원리
1.4. 평형방정식과 무게중심
1.5. 부력중심과 복원력
2. 열역학 법칙과 엔트로피
2.1. 엔트로피의 개념
2.2. 열역학 제 2법칙
2.3. 열역학과 열기관 효율
2.4. 엔탈피와 깁스 자유에너지
3. 프랙탈 구조와 생명체
3.1. 프랙탈 구조의 특성
3.2. 생명체의 프랙탈 구조
3.3. 물질대사와 엔트로피 감소
3.4. 네겐트로피와 자기조직화
4. 잠수함의 원리와 구조
4.1. 잠수와 부상의 원리
4.2. 밸러스트 탱크와 부력 조절
4.3. 트림 탱크와 수평 유지
4.4. 어뢰 발사와 무게 보상
5. 참고 문헌
본문내용
1. 평형상태와 부력
1.1. 평형의 개념
평형은 어떤 계나 물체가 외부로부터의 힘이나 변화에 의해 영향을 받지 않고 그 상태를 유지하는 것을 말한다. 즉, 평형 상태란 계 내부의 여러 힘들이 서로 균형을 이루고 있어 계의 상태가 변화하지 않는 상태이다. 이러한 평형 상태는 어떤 계가 안정적으로 존재할 수 있게 해주며, 자연계에서 다양한 현상들이 일어날 수 있게 한다. 평형 상태에 있는 계는 외부의 작용이 없다면 원래의 상태를 유지하게 되며, 외부로부터 힘이나 변화가 가해질 경우 새로운 평형 상태를 찾게 된다. 따라서 평형 개념은 자연계에서 일어나는 많은 현상을 이해하고 설명하는 데 중요한 역할을 한다.
1.2. 부력의 정의와 원리
부력은 중력이 작용할 때 일정한 부피를 가지고 있는 물체가 유체로부터 받는, 물체가 유체 내에서 경험하는 중력에 반대 방향으로 작용하는 힘이다. 부력의 크기는 물체의 부피에 의해 배제되는 유체의 무게의 크기와 동일한 값을 가진다. 따라서 부력은 물체의 종류나 질량과는 관계가 없으며, 유체에 잠긴 물체의 부피에 따라 부력이 결정된다. 물체에 작용하는 부력의 크기는 유체 밀도와 물체가 잠긴 부피, 그리고 중력가속도를 곱하여 구할 수 있다.
1.3. 아르키메데스 원리
어떤 물체의 전체 또는 일부분이 유체 속에 잠기게 되면 잠긴 공간만큼의 유체를 밀어내게 된다. 이때 밀어낸 유체의 무게에 해당하는 크기의 부력이 생기게 되는데, 이를 아르키메데스 원리라고 한다. 아르키메데스는 BC 220년경 그리스에서 이 원리를 발견하였다. 이 발견은 사람이 욕조에 들어가게 되면 물이 차오르는 것으로부터 착안하였고, 물질의 밀도에 따라 유체의 밀도와 비교하였을 때 비중이 달라진다는 것을 알게 되었다. 같은 무게를 가진다고 하여도 물질의 부피가 달라 밀도가 다르므로 서로 다른 비중을 가지게 된다. 이러한 아르키메데스 원리를 통해 유체 속에 있는 물체가 실제의 무게보다 가볍게 느껴지는 현상을 설명할 수 있다.
1.4. 평형방정식과 무게중심
물체가 유체 내에서 뜨지도 가라앉지도 않고 있는 중성부력의 상태를 나타내는 평형방정식은 알짜힘에 대한 식으로 F_net = F_g - F_b - F_d와 같이 나타낼 수 있다. 이때 F_g는 중력이고, F_b는 부력, F_d는 항력이다. 유체정역학 상태이고 아르키메데스의 원리가 적용되는 상황에서는 항력이 0이 되므로, 물체에 가해지는 알짜힘이 0이 되어야 한다. 따라서 부력은 생략되고 F_g = F_b가 된다.
임의의 모양을 가졌고 부피가 V인 물체가 액체 안에 잠겨 있다고 가정하면, 부력은 F_b = ρ_f V_disp g로 나타낼 수 있다. 이때 ρ_f는 액체의 밀도이며, V_disp는 액체에 잠긴 물체의 부피이고, g는 중력가속도이다. 중력과 부력을 풀어서 식을 써보면 mg = ρ_f V_disp g이고, 양변의 g를 소거하면 m = ρ_f V_disp가 된다. 중성부력일 때는 물체가 유체 내부에 존재하므로 V = V_disp이 된다. ρ_물체 V = ρ_f V 양변에 V를 소거하면 유체의 밀도와 물체의 밀도가 같을 때 평형을 이루며, 중성부력을 가지게 된다는 것을 알 수 있다.
물체의 무게중심은 물체의 각 부분에서 작용하는 중력의 합력 작용점을 의미한다. 물체의 무게와 같은 힘으로 무게중심을 받치면 물체는 수평으로 평형을 이룰 수 있다. 균일한 대칭형 물체에 대한 무게중심은 그 물체의 기하학적 중심에 위치한다. 무게중심의 위치는 물체의 안정성에 영향을 미치는데, 무게중심이 물체의 윗부분에 위치하는 경우 물체가 불안정한 경향을 가지게 되고, 아랫부분에 위치하는 경우는 비교적 안정한 경향을 가지게 된다. 이는 무게중심을 기준으로 하여 토크가 발생하기 때문이다.
1.5. 부력중심과 복원력
부력중심은 유체에 잠긴 물체가 기울어졌을 때 다시 원래의 상태로 돌아가려는 복원력을 결정하는 주요한 요인이다. 부체(부력의 영향을 받아 유체의 표면이나 내부에 떠 있는 물체)가 평형을 유지하고 있을 때 부력중심과 무게중심은 연직선상에 있다.
무게중심이 부력중심보다 낮을 때 기울어진 상태를 원래대로 되돌리려는 힘을 복원력이라 한다. 복원력의 크기는 무게중심의 위치와 관련이 있어, 무게중심이 낮을수록 복원력이 크고 무게중심이 높을수록 복원력은 작다. 이는 무게중심이 낮을수록 토크의 발생 크기가 크고 기울어졌을 때 유체 표면과의 접촉면적이 넓어져 상대적으로 더 큰 복원력이 작용하기 때문이다.
부체는 평형상태를 유지한다면 안정적으로 떠오를 수 있다. 선박에서는 주로 횡방향의 복원력만을 고려하는데, 이는 수직 방향의 복원력이 ...
참고 자료
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안병구, (2008), 잠수함 그 하고 싶은 이야기들, 집문당
2024년 3학년 1학기 단위조작 이론 및 실험1 실험노트
물리학실험(제12판)/조두진 외/아주대출판부/2018/p.21-26
위키피디아/반감기,알코올 온도계, 온도 센서
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