2020 부력 예비

목차

1. 실험 목적
2. 바탕 이론
3. 기구 및 시약
4. 실험 방법

본문내용

1. 실험 목적
부력에 대해 이해하고, 아크릴 실린더를 이용하여 만들어낸 잠수함 모형에 작용하는 유체역학적 원리(무게중심, 부력중심, 복원력)를 알아본다. Force Balance를 세워 잠수함의 깊이, 무게의 상관관계를 도출한다.

2. 바탕 이론
- 부력(Buoyancy)
유체 내에 물체가 존재할 때 작용하는 힘은 크게 3가지가 있다. 물체가 지구 중심방향으로 끌어당겨지는 힘인 중력, 유체 내 물체가 운동하거나 정지된 물체에 유체가 흐를 때 물체의 운동방향과 반대로 작용하는 힘인 항력, 유체 내 존재하는 물체에 대해 중력 반대방향으로 작용하는 수직력인 부력이 그 힘이다.

부력은 이전의 초중고등 교육과정에서도 들었던, “유레카!”로 유명한 아르키메데스에 의해 처음 밝혀졌다. 당시 그리스의 왕은 본인의 왕관을 금 세공업자에게 만들기를 의뢰하였다. 왕관을 만드는 데에 사용할 순금을 세공업자에게 지급하였는데, 왕관이 완성된 후 왕은 본인의 왕관이 100% 순금인지 알고 싶어했다. 이에 수학자이자 물리학자인 아르키메데스를 불러 방법을 알아내기를 명령하였다. 아르키메데스는 이를 고민하던 중 공중목욕탕에서 물에 들어가다 본인의 부피만큼의 물이 욕탕 밖으로 넘친다는 것을 알고 “유레카!”를 외쳤다고 한다. 왕관이 만약 순금이라면 왕관을 물에 넣었을 때 밀려난 물의 부피와 왕이 지급한 만큼의 순금을 물에 넣었을 때 밀려난 물의 부피가 같을 것임을 생각해낸 그는 왕에게 이를 알렸고, 이 방법으로 금 세공업자가 순금의 일부를 빼돌렸음을 알아낼 수 있었다고 한다. 이것이 아르키메데스 원리이다.
이번 실험은 잠수함에 작용하는 부력에 대해 알아보는 실험이다. 부력은 중력 반대방향의 힘, 즉 유체가 물체를 들어올리려고 하는 힘이다. Figure 1의 그림을 참고해보자. 수면과 지면은 평행하고, 원통형 물체는 수면과 지면에 대해 수직이라고 가정하면 좌우에서 작용하는 압력은 같으므로 상쇄될 것이므로 그림에 적용하지 않았다.

참고자료

· 2020 단위조작이론 및 실험1 실험노트, 부력
· 윤도영, 윌키스의 화학공학유체역학, 사이플러스, 2020, p.48-p.50
· Frank. M. White, Fluid Mechanics, McGraw-Hill Education, 2015, p.63-p.64, p.88-p.92
· Philip M. Gerhart, Munson’s Fluid Mechanics, JohnWiley&Sons, 2017, p.38-p.46, p.69-p.73