가라앉는 물체: 무게와 최대 부력
1 · 예측
금속 싱커를 물에 떨어뜨린 후 완전히 물에 잠겨 바닥에 정지합니다. 완전히 물에 잠기면 더 무거워지면 물에 잠기는 정도가 달라지나요?
- 더 무거운 싱커는 훨씬 더 많이 잠깁니다(100% 이상).
- 이미 완전히 물에 잠겨 있으므로(100%) 더 많은 질량이 더 이상 물에 잠길 수 없습니다.
- 더 무거운 싱커는 더 빨리 떨어지기 때문에 물에 덜 잠깁니다.
2 · 설정
- fluid-sink 사전 설정을 열고 재설정을 누릅니다. 싱커는 물 속으로 떨어져 탱크 바닥에 정지합니다.
- 침전추의 잠긴 비율 프로브를 활성화하세요.
- 각 시행에 대해 싱커의 질량을 설정하고 가라앉힌 다음 물에 잠긴 부분을 기록합니다.
3 · 데이터 수집
| 싱커 질량 m (kg) | 무게 mg (N) | 물에 잠긴 분수 |
|---|---|---|
| 3.00 | ||
| 4.00 | ||
| 5.00 |
세 번의 시행에 대해 잠긴 비율(y축)을 무게(x축)에 대해 그래프로 그리세요.
4 · 분석
- 반지름(0.4 m)으로부터 침전추의 전체 부피를 구하고, 물의 밀도 1000 kg/m³를 사용해 최대 가능한 부력 ρ·g·V_full을 계산하세요. 이를 각 시행의 무게와 비교하세요.
- 싱커가 아무리 무거워지더라도 무게가 최대 부력을 초과하면 물에 잠긴 비율이 1.0(100%)으로 유지되는 이유를 설명하십시오.
5 · 확장
- 이 싱커의 최대 부력은 약 24.6N입니다. 약 2.5kg 미만의 질량은 대신 떠오를 것입니다. 이것을 fluid-float 실험과 비교해 보세요. 물체가 뜨는지 가라앉는지 결정하는 것은 무엇입니까?
- 바닷물은 민물보다 밀도가 높습니다. 민물에서 완전히 잠기는 침전추가 바닷물에서도 반드시 완전히 잠길까요? 부력 공식을 이용해 설명하세요.
이 실험의 물리학
아르키메데스의 원리(최대)
물체가 받을 수 있는 가장 큰 부력은 ρ·g·V_full(완전히 물에 잠길 경우 대체되는 유체의 무게)입니다. 물체의 무게가 이 한도를 초과하면 가라앉아 완전히 물에 잠긴 상태로 유지됩니다. 더 많은 질량을 추가해도 이미 전체 부피가 변하기 때문에 더 이상 담글 수 없습니다.