[일반물리학] 할리데이 일반물리학 1 28강의 부력에 대한 질문 (Fluid, buoyancy, imbalance, pressure, definition, surface, vertical direction, force, horizontal direction)

질문 요약

정지해 있는 관찰자 입장에서 유체가 비평형 유체이기 때문에 부력을 논의할 수 없는 것인가요? 압력의 정의가 면의 수직 방향인 힘을 의미하기 때문에 부력이 면의 수평 방향으로 작용하는 힘을 가질 수도 있다고 생각합니다. 이에 대한 답변을 부탁드립니다.

답변 요약

압력과 부력은 유체의 밀도와 중력에 의해 결정됩니다. 부력은 유체와 같은 공간에 있는 관찰자의 입장에서 기술되어야 하며, 관성력을 포함한 무게로 표현됩니다. 압력은 수평방향으로의 압력이 동일하기 때문에 수평 성분의 합력은 상쇄됩니다. 따라서, 밀도가 균일하다면 미소 단면적에 대해 압력을 곱한 힘을 구하여 수평성분을 구하면 모두 상쇄됨을 확인할 수 있습니다.

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부력에 대한 이해 : 압력과 부력의 관계

일반적으로, 우리가 부력에 대해 이야기할 때는 주로 유체(즉, 액체나 기체) 속에 물체가 떠 있거나 또는 가라앉는 상황을 논의합니다. 그런데 이와 같은 상황은 특정한 조건하에서 일어나는 현상으로, 그 조건이 과연 무엇인지, 그리고 그 조건을 만족하지 않을 때에는 부력이 존재하지 않는 것인지에 대해 질문하셨군요.

비평형 유체에서의 부력

먼저, 유체가 비평형 상태에 있을 때 부력에 대해 이야기할 수 있는지에 대한 질문에 대해 답변하겠습니다. 사실, 이 질문은 약간의 오해가 있습니다. 부력은 유체가 평형 상태에 있을 때만 발생하는 것이 아닙니다. 유체가 비평형 상태에 있어도 부력은 존재합니다. 다만, 유체가 비평형 상태에 있을 때의 부력을 계산하거나 이해하는 것이 다소 복잡할 뿐입니다.

부력과 압력의 관계

부력은 압력과 밀도, 그리고 중력에 의해 결정됩니다. 유체 안에서 물체에 작용하는 압력은 물체의 깊이에 비례하므로, 물체의 아래쪽 면에는 물체의 위쪽 면보다 더 큰 압력이 작용합니다. 이로 인해 물체는 위로 향하는 힘, 즉 부력을 받게 됩니다.

수평방향의 부력

그렇다면, 수평 방향으로의 부력은 어떻게 될까요? 이에 대한 답변은 '수평 방향으로의 부력은 없다'는 것입니다. 왜냐하면, 어떤 유체도 그 유체의 수평 면에서는 압력이 일정하기 때문입니다. 즉, 물체의 어떤 부분도 그와 수평한 방향으로는 압력의 차이를 받지 않습니다. 따라서 수평 방향으로는 부력이 발생하지 않습니다. 이는 물체가 수평방향으로 움직이지 않는 이유 중 하나입니다.

부력의 계산

부력의 크기를 계산하려면, 먼저 물체가 받는 압력의 차를 알아야 합니다. 이를 위해 물체의 깊이를 알아야 하며, 이 깊이는 물체의 위치에 따라 달라집니다. 따라서 부력을 계산하기 위해서는 물체의 위치에 대한 정보가 필요합니다.

부력에 대한 오해

많은 사람들이 부력을 '물체가 물속에 떠 있는 힘'이라고 생각합니다. 하지만 사실 부력은 유체 속에 있는 모든 물체에 작용하는 힘입니다. 물체가 떠 있는 것이 아니라 가라앉는 경우에도 부력은 작용하며, 이 부력이 물체의 무게보다 작아서 물체가 가라앉는 것입니다.

결론

따라서, 어떤 유체의 상태가 어떻든간에 부력은 항상 존재합니다. 유체의 상태가 복잡해지면 부력을 계산하는 것이 더 어려워질 뿐입니다. 이런 이해를 바탕으로 부력과 밀도, 압력과의 관계에 대해 더 깊게 공부해보시면 좋을 것 같습니다.

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