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.

참고 자료

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