부력의 크기에 영향을 주는 요인 - bulyeog-ui keugie yeonghyang-eul juneun yoin

A. 마찰력

1) 마찰력

마찰력은 눈에 직접적으로 보이는 힘은 아닙니다. 그러나 실생활에서 많이 작용하는 힘입니다. 컬링 경기에서 얼음판에서 스톤을 던지면 얼음판임에도 불구하고 결국엔 멈추게 됩니다. 물론 조금이라도 멀리 보내려고 열심히 빗질은 하지만 결국엔 엄청나게 미끄러운 얼음판 위에서도 스톤은 결국 정지하게 되죠 그래서 과학자들은 이와 같은 운동을 설명하기 위해 마찰력이라는 힘을 도입을 했습니다. 즉 물체가 운동하려는 힘이 존재하여 물체의 운동방향과는 늘 반대로 작용한다는 힘이라고 정의 합니다.

a) 마찰력의 방향

마찰력이 작용하는 경우는 크게 두가지가 있습니다. 물체가 운동하고 있을 때 그리고 물체가 정지하고 있을때입니다. 응? 물체가 정지하고 있을때에도 마찰력이 존재하나요?? 네 존재합니다. 여러분이 택배하시는 분들 보시면 캐리어라고 해서 바퀴달린 철판을 보신적이 있으실 겁니다. 같은 무게인데 택배박스를 쌓아두고 왠만한 힘을 주고 밀어도 박스가 밀려가진 않습니다. 하지만 바퀴하나만 달렸는데 왜 상대적으로 쉽게 박스가 움직일까요? 여기서 바퀴는 정지해 있는 물체의 마찰력을 줄여주는 역할을 하는 것입니다. 그래서 물체가 정지해 있을때도 마찰력이 작용하고 있다고 생각합니다.

- 물체가 운동할 때

운동 방향과 반대방향으로 마찰력이 작용합니다.

- 물체가 힘을 가해도 움직이지 않을 때

힘을 가한 방향과 반대 방향으로 정지 마찰력이 작용하고 있습니다.

b) 마찰력의 크기

일단 똑 같은 바닥에서 가벼운 물체를 밀때가 힘든가요? 무거운 물체를 밀때가 힘든가요? 당연히 무거운 물체를 밀때가 힘들죠?? 또한 같은 무게의 물체를 일반 바닥에서 밀때가 힘든가요? 얼음판에서 밀때가 힘들까요? 당연히 일반 바닥에서 밀때가 힘들죠? 왜냐하면 일반 바닥이 얼음판 보다는 좀 거친면이기 때문이죠 그래서 마찰력에 영향을 주는 것은 다음과 같이 크게 두가지 요인이 있다고 봅니다.

- 물체의 무게가 무거울수록 마찰력의 크기는 크다

- 접촉면이 거칠수록 마찰력의 크기는 크다.

접촉면이 거칠수록 용수철 저울에 걸리는 힘(마찰력)이 더 크다

물체의 무게가 더 무거울 수록 용수철 저울에 걸리는 힘(마찰력)이 더 크다

2) 마찰력의 활용

운동을 방해한다는 이미지는 무엇인가 부정적인 이미지이지만 절대 마찰력은 부정적인 면만 있는것이 아닙니다. 상황에 따라 마찰력을 크게해야할 때가 있고 마찰력을 작게해야할 때가 있습니다. 각각의 예를 살펴보도록 합시다.

a) 마찰력을 크게할 경우

주로 미끄러짐을 막아야 할 때 마찰력을 크게하게 됩니다.

- 눈길에 모래를 뿌리거나 자동차 바퀴에 체인을 감아서 도로와 타이어 상의 마찰력을 높여 미끄러지는 현상을 줄일려고 한다

- 계단 끝에 표면이 거친 띠를 붙여 미끄러짐을 방지합니다.

- 장갑의 한쪽면을 고무로 코팅하여 미끄러짐을 방지합니다.

- 등산화 바닥을 울퉁불퉁하게 하여 등산할 때 미끄러짐에 의한 사고를 방지합니다.

- 볼펜 손잡이 부분에 고무를 붙여 손이 미끄러지는 것을 방지합니다.

b) 마찰력을 작게하는 경우

물체를 계속 움직이게 할 때 마찰력의 크기를 줄이는 방향으로 조치합니다.

- 자전거 체인에 윤활유를 뿌려 잘 회전하도록 합니다.

- 기계의 회전축이나 바퀴에 베어링을 넣어 잘 회전하도록 합니다.

- 수영장에서 미끄럼틀에 물을 계속 흘려주어 마찰력을 줄여 잘 미끄러지게 합니다.

- 배, 잠수함, 비행기, 헬멧등을 유선형으로 만들어 공기에 대한 마찰을 줄입니다.

- 공기 부양선이나 자기 부상 열차를 공중에 띄워 수면이나 지면에 닿지 않게 하여 마찰을 줄여서 빨리 달릴 수 있게 합니다.

3) 마찰력의 종류

일단 고등학교때 배우는 개념이긴 한데 간략하게 마찰력의 종류에 대해 알아보겠습니다. 여러분이 물체를 밀기 위해서 힘을 꽈악 주다보면 물체가 움직이면서 갑자기 처음에 움직이는 힘보다는 적게 힘이 드는 것을 느끼신 적이 있으실 겁니다. 그래서 물체가 정지하는 동안에 작용하는 마찰력을 정지 마찰력이라고 하며, 물체가 움직이기 직전까지 작용하는 마찰력을 최대 정지 마찰력이라고 합니다. 이후 물체가 계속 운동하고 있다면 최대 정지 마찰력보다 작은 마찰력이 꾸준히 작용하게 되는데 이를 운동마찰력이라고 합니다. 그래프로 나타내어 본 것이 아래의 그림인데 최대 정지마찰력까지 쭈욱 마찰력이 커졌다고 운동마찰력으로 일정하게 유지됨을 파악할 수 있습니다. 자세한것은 고등학교 물리시간에 익혀보도록 합시다.

B.부력

1) 부력

일반적인 관점에서 쇳덩어리를 던지면 물에 가라앉는데 같은 쇠로 만들었는데 배는 물에 뜹니다. 비행기는 거기에 한술 더 떠서 하늘을 날라다닙니다. 대체 어떠한 과학적인 원리가 들어있는 것일까요? 그 현상에 숨겨져 있는 과학적인 원리가 바로 부력입니다. 부력은 일단 기본적인 정의로 기체나 액체가 그 속에 들어 있는 물체를 위쪽으로 밀어올리는 힘을 말합니다.

a) 부력의 방향

위에서 언급했다시피 물체를 위쪽으로 밀어올리는 힘입니다. 다음의 실험에서 파악해 볼 수 있습니다. 무게가 같은 추를 나무막대에 매달고 수평을 유지한 다음에 한쪽 컵에 추가 잠기도록 물을 부으면 물을 붓지 않은 쪽으로 나무막대가 기울어 집니다. 이 실험으로도 부력의 방향은 중력과 반대방향임을 파악할 수 있습니다.

b) 부력의 크기

- 부력의 크기는 기체나 액체 속에 잠긴 물체의 부피에 비례합니다. 아래의 실험 그림에서도 파악할 수 있듯이 물체가 물에 점점 많이 잠길수록 용수철 저울에 작용하는 무게가 작아지는 것으로 보아 많이 잠길수록 부력의 크기가 커진다는 점을 알 수 있습니다.

- 부력의 크기에 대해 조금더 자세히 접근을 해 보자면 물체가 밀어낸 기체나 액체의 무게와 같습니다. 나중에 고등학교 부력관련에서도 배우시긴 하실텐데 정리해 보면 다음과 같습니다.

부력의 크기는 잠겨진 물체의 부피만큼의 물 또는 기체의 무게와 같습니다.

2) 부력과 물체의 무게

그러면 위의 설명대로라면 많이 가라앉으면 부력이 더 커진다는 것인데 꼭 그렇다고 다 물에 뜨지 않는 이유는 무엇일까요? 너무나 당연하게 같은 부피의 무게가 더 무겁다면 부력보다 작용하는 중력이 더 크게 되면 부력이 작용하게 된들 뜰수가 없습니다.

- 물체의 무게는같고 부력의 크기가 다를 때

아래의 실험에서 보시듯이 같은 1kg의 돌과 나무는 부피가 다릅니다. 당연히 밀어내는 물의 양도 나무가 많겠죠 그래서 부력의 크기가 부피가 큰 나무에 더 크게 작용하게 됩니다. 그래서 나무는 뜨고 돌은 가라앉게 되죠

- 물체의 부력의 크기가 같고 무게가 다를 때

마찬가지 아래의 실험에서 부피가 같은 돌과 나무를 비교해 본다면 부피가 같으므로 작용하는 부력은 같습니다. 하지만 같은 부피라면 돌에 작용하는 중력이 더 크겠죠? 그래서 나무는 뜨고 돌은 가라앉습니다.

- 그럼 강철배가 뜨는 이유는?

강철배라고 해서 물에 다 떠있는 것은 아닙니다. 강철배도 물에 잠겨든 부분이 존재합니다. 그래서 물에 잠겨든 부분의 부피만큼 부력이 발생하므로 그 부력의 크기를 어마어마하게 만들면 됩니다. 그냥 배를 만들때의 강철을 공모양으로 만든다면 같은 무게에 비해서 부피가 압도적으로 줄어들게 되어 부력의 크기가 작아지게 되어 가라앉게 될 것입니다. 짐을 많이 실은 배가 약간 가가라앉는 것 같은 이유입니다. 무게가 무거워졌으니 물의 부력을 크게 하기 위해 조금더 잠겨드는 것이죠

3) 부력의 이용

- 구명환이나 튜브를 잡으면 튜브와 구명환의 부력 때문에 물에 뜰 수 있다.

- 잠수함은 같은 부피에 잠수함 내에 물을 채우거나 빼거나 하면서 떠오르거나 가라앉습니다.

- 열기구나 풍등 속 공기를 가열하여 부피를 크게하면 더 큰 부력을 받아 올라갑니다.

- 공기보다 가벼운 헬륨으로 가득 채우면 부력을 받아 위로 올라갑니다.

- 물고기는 부레의 부피를 크거나 작게 하면서 떠오르거나 가라앉습니다.

실험 탐구

빗면을 이용하여 마찰력의 크기 비교하기

실험 과정

1) 각도기와 접착 테이프를 이용하여 아크릴 판을 기울일 때의 각도를 측정할 수 있도록 장치한다.

2) 아크릴 판에 사포를 붙이고 그 위에 나무 도막을 올려놓은 다음 아크릴 판을 기울여 나무도막이 미끄러지기 시작하는 순간의 각도를 측정한다

3) 아크릴 판에 사포대신 OHP 필름, 도화지, 유리판, 나무판, 금속판 등 다양한 재질의 물체를 붙이고 과정 2)를 반복한다

4) 나무 도막이 미끄러지기 시작하는 순간의 각도의 평균을 구한다

실험 결과

- 나무 도막에 작용하는 마찰력이 클수록 나무 도막이 미끄러지기 시작하는 순간의 각도가 크다

- 아크릴 판에 붙인 물체의 재질이 거칠수록 즉 접촉면이 거칠수록 나무도막이 미끄러지기 시작하는 각도가 크다

- 마찰력의 크기는 접촉면이 거칠수록 크다