부력의 정의
• 정지된 물에 잠겨있거나 떠 있는 물체(고체)는 물에 의하여 수직상방향으로 힘을 받는다. 이것이 물체에 작용하는 부력이다.
부력의 크기는 물체가 유체속에 잠긴 부피에 해당하는 물의 무게과 같고 그 방향은 수직상방향이다.
이것을 아르키메데스(Archimedes)의 원리라 한다.
• 유체(기체와 액체)속에 잠긴 물체는 대체된 유체의 무게와 같은 크기의 부력을 받는다.
단, 부력은 기준이 되는 액체와 부력의 대상인 고체간에 성립되는 힘이다.
• 그러나, 분리된 기체와 기체, 액체와 액체사이에서도 부력은 존재한다 (예 : 기구, 수소풍선, 물위의 기름등)
부력의 이용
• 물체의 무게가 물의 부력보다 클 때에는 물체는 가라 앉고, 물체의 무게와 부력이 같을 때는 물속의 어느 곳에서나 정지해 있다.
그러나 물체의 무게가 부력보다 작은때에는 물위에 뜬다. 배가 물위를 항해한다든가 사람이 물 속에서 수영하는 것 역시
물의 부력을 이용한 것이다.
• SCUBA에서 Diver가 수중에서의 하강과 상승을 위해 부력조절기를 사용
• 부력을 이용하여 액체의 비중을 계측
• 열기구를 이용한 비행 등
부력의 발견
• 고대 그리이스의 히에로(Hiero)왕은 새로 만든 왕관이 순금인가를 알기 위하여 아르키메데스를 불러 이를 조사하도록 하였다.
조사방법을 연구하던 아르키메대스는 물이 가득 담긴 욕조에 들어갔을 때 욕조의 물이 넘치는 것을 보고는 부력의 존재를
발견하였다. 그는 왕관을 실로 묶어 물이 가득한 용기속에 넣었을 때의 무게와, 넘쳐 흐른 물의 부피를 이용하여 새 왕관이
순금이 아니라는 것을 알았다.
• 위의 경우는 흔히 부력의 발견에 대해서 설명하는 것이지만, 부력보다는 물질의 밀도차이를 이용한 것이라고 말할 수 있다.
(순금과 다른 금속과의 밀도차이를 이용)
• 사실 부력은 비중의 차이로 인해서 생기는 것이다.
무게와 부력의 관계
생활속의 부력
1. 물 속에서 물체의 무게가 가벼워 지는 이유
• 물 속에서 무거운 돌을 들어본 사람은 돌의 무게가 줄어드는 효과인 부력을 깨달을 수 있다. 예를 들어 강바닥의 둥근 돌을
물 속에서는 비교적 쉽게 들 수 있지만 물 밖에서는 훨씬 더 큰 힘이 필요하다. 물 속에서는 중력과는 반대방향인 위쪽으로 향하는
힘이 작용하기 때문이다. 이러한 위 방향의 힘을 부력이라고 부른다.
• 유체에 잠긴 물체에 작용하는 부력은 물체의 부피에 따라 변한다. 작은 물체는 적은 양의 유체로 대체되므로 부력 또한 작다.
큰 물체는 많은 양의 유체로 대체되므로 부력이 커진다. 부력을 결정하는 요인은 무게가 아니라 부피며 그 크기는 대체된 유체의
부피 만큼의 무게와 같다. 따라서 유체 속에 잠긴 물체의 밀도가 유체의 밀도보다 크면 가라앉고 작으면 떠오르게 되는 것이다.
• 인간의 몸도 물에 잠긴채 걷게 되면 달표면을 걷는 것과 마찬가지로 몸이 육상에서와 달리 가볍게 느껴지는 것 또한 바로 부력의
작용에 의한 것이다.
• 또한 바로 이 부력의 작용에 의하여수중에서의 운동은 육상에서의 운동에 비해서 관절에 부하가 적은것는 특징이며,
이는 수영이 가지는 장점중의 하나이다.
2. 강철로 된 배가 뜨는 이유
• 배와 같은 물체의 경우도 배가 밀어낸 물의 무게(잠긴 부분의 부피에 해당하는 물의 무게)가 배 자체의 무게와 같을 때 뜬다는 것이다.
• 그러나 강철로 된 배가 뜰 수 있는 능력은 그 무게를 어떻게 분배하느냐에도 달려 있다. 예를 들면, 강철 덩어리를 연못 수면에 놓으면 가라앉는다. 그러나 같은 무게의 강철도 사발처럼 만들면 뜬다. • 이것은 사발의 잠김 부분에 해당하는 부피를 대부분 공기가 차지하므로상대적으로 그만큼 부피의 물보다는 공기의 밀도가 작기 때문이다. 마찬가지로 강철로 된 배도 사발처럼 그 안이 비어 있어 부피를 늘여 밀도를 작게 한 것이다. 그래서 무게가 물 위에 넓게 분산되어 강철을 잡아 당기는 중력과 같은 크기의 부력이 생기고 배가 뜨게 되는 것이다.
비중과 부력과의 관계
• 일정의 물체가 밀어내는 물의 양이라는 표현은 곧 그 물체가 가지는 부피를 말하는 것이다.
• 유체의 비중이 높은 물질이라면 동일물체에 대한 상대적인 부력이 커지게 된다.
(예 : 보통의 계란은 물 속에서 가라앉지만 소금물에서는 위로 뜬다.)
• 즉, 기준이 되는 유체의 비중이 커짐에 따라 상대적으로 부력이 증가한다.
• 또한 비중이 작은 물체일 수록 유체에 대한 비중의 차이로 인하여 부력이 증가하는 것이다.
• 사해(소금바다)나 바다에서 수영을 쉽게 할 수 있는 이유는 유체의 비중(1.01~1.05)이 크기 때문에
인체의 부력이 상대적으로 커지는 결과를 낳게 된다.
• 일반적인 물에 대한 부력의 관계를 나타내면 비중이 1보다 크면 음성부력을 지니고,
1보다 작으면 양성부력을 지닌다는 일반결론을 도출할 수 있다.
신체의 부위별 비중
• 인체의 비중은 정상호흡상태에서 10세 전후로 0.967이며, 숨을 들이쉰 상태로 0.946, 숨을 토해낸 상태로 0.986이다. • 일반적인 성인의 경우에는 비중이 0.96이고, 숨을 들이쉰 상태로 0.94, 숨을 내쉰 상태로 1.03이므로 • 정상적 호흡상태에서는 물에 뜰 수 있으며, 호기량을 늘려 잔기량을 조절함에 따라 스스로 물에 가라앉을 수 있는 폐의 부피변화를 일으킬 수 있다. (이때 잔기량은 1ℓ가량이 존재한다.) • 또한, 체격과 성별, 연령에 따른 비중이 다르다 (성인남성을 비교) - 어린이 - 근육의 비율이 적어 비중이 작다.(뜨기 쉽다) - 노인 - 뼈의 밀도가 작아서 비중이 작다.(뜨기 쉽다) - 여성 - 남성에 대한 체지방의 비율이 높아 비중이 작다.(뜨기 쉽다) - 마른 체형 - 체지방이 적어 비중이 높다.(뜨기 어렵다) - 비만 체형 - 체지방 비율이 높아 비중이 작다. (뜨기 쉽다) • 단, 비중이 작아 잘 뜰 수는 있으나, 수영의 속도와는 상관이 없다고 볼 수 있다.
• 남성과 여성의 신체부위에 따른 부력의 차는 특히 둔부와 허벅지에서 크게 나타난다. • 위에서 말한 바와 같이 부력이 크기 때문에 잘 뜰 수는 있으나, 그것이 수영의 속도와는 직접적인 영향을 받지는 않는다. • 소위 " 물에 가라앉는 선수"(비중이 큰)들의 상당수가 세계기록을 보유하고 있으며, 각종 경기에서도 뛰어난 성적을 거두는 것으로 나타나고 있다. • 그것은 부력의 차를 영법으로 보완함에 따라 그 차이를 두지 않는 것이다.
자료작성 : 김재중 / 감수 도우미 : 나인스톤 (한국표준과학연구원)
