액체 압력 가상 실험실 가이드
물리학중급읽기 시간: 3 분
개요
왜 심해 잠수부들은 무거운 내압복을 입어야 할까요? 왜 댐은 바닥으로 갈수록 더 넓게 지어질까요? 답은 액체의 깊은 곳에 있습니다. 이 실험은 미세 압력계(U자관 압력계)를 사용하여 물 속으로 안내하고 액체 압력의 크기를 결정하는 '3가지 핵심 변수'를 직관적으로 측정하고 탐구합니다.
배경 지식
액체 압력의 연구는 프랑스 과학자 블레즈 파스칼(Blaise Pascal, 1623-1662)과 떼려야 뗄 수 없습니다. 1648년, 파스칼은 유명한 '통 실험'을 수행했습니다. 그는 물로 가득 찬 밀폐된 나무통의 상단에 가늘고 긴 관을 삽입했습니다. 높은 곳에서 얇은 관에 소량의 물을 부었을 때, 통은 엄청난 내부 압력으로 인해 터져버렸습니다! 이 실험은 액체 압력이 액체의 총량이 아니라 깊이에만 의존한다는 것을 생생하게 증명했습니다. 파스칼은 또한 '파스칼의 원리'를 발견했습니다. 밀폐된 액체에 가해진 압력은 모든 방향으로 감소하지 않고 전달된다는 원리로, 이는 오늘날에도 유압 프레스와 잭의 기초가 되고 있습니다. 그의 공헌을 기리기 위해 압력의 국제 단위는 '파스칼'(Pa)로 명명되었습니다.
핵심 개념
압력계 (Manometer)
액체 압력을 측정하는 기기. 프로브의 고무막이 압력을 감지하여 U자관의 양쪽 액체 수위에 높이 차이를 발생시킵니다. 높이 차이가 클수록 압력이 큽니다.
액체 압력 (Liquid Pressure)
액체가 중력과 유동성으로 인해 내부 및 용기 벽에 가하는 압력.
공식 및 유도
액체 압력 공식
압력 는 액체의 밀도 , 중력 가속도 , 깊이 에 따라 달라집니다. 참고: 액체의 질량, 부피 및 용기 모양과는 무관합니다.
실험 단계
- 1
기밀성 확인
실험 전, 프로브의 고무막을 부드럽게 누르십시오. U자관 액체 수위에 명확한 높이 차이가 나타나고 손을 뗀 후 복원되면 장치의 기밀성은 양호한 것입니다. - 2
깊이 대 압력 탐구
프로브를 맑은 물에 수직으로 넣고 '프로브 깊이'를 변경하십시오. 깊이 가 증가함에 따라 U자관 높이 차이가 어떻게 변하는지 관찰하십시오. - 3
방향 등가성 확인
동일한 깊이를 유지하고 '프로브 방향'(위, 아래, 왼쪽, 오른쪽)을 전환하십시오. 높이 차이가 일정하게 유지되는지 관찰하고 확인하십시오. - 4
다른 액체 비교
동일한 깊이에서 액체를 '맑은 물'에서 '소금물' 또는 '등유'로 전환하십시오. 다른 밀도가 압력에 미치는 영향을 비교하십시오.
학습 목표
- 수중의 동일한 지점에서 모든 방향으로의 압력이 동일함을 확인
- 압력이 깊이에 따라 선형적으로 증가한다는 법칙 숙달
- 동일한 깊이에서 액체 밀도가 클수록 압력이 커짐을 검증
- 측정 과정에서 '연통관' 원리의 적용 이해
실제 적용
- 싼샤 댐: 깊은 수위에서의 거대한 수평 압력을 견디기 위해 바닥이 매우 넓게 설계되었습니다
- 잠수 한계: 일반 잠수부와 심해 잠수정의 설계 차이는 바로 다른 정수압에 대처하기 위한 것입니다
- 급수탑: 높이 차이를 이용하여 압력을 생성하고 고층 거주자에게 물을 공급합니다
일반적인 오해
오해
큰 양동이의 물 바닥 압력은 항상 작은 컵의 물 바닥 압력보다 크다
정답
반드시 그렇지는 않습니다. 압력은 깊이와 밀도에만 의존합니다. 부분적으로 채워진 큰 양동이의 수위가 컵보다 낮으면 양동이 바닥의 압력은 실제로 더 작습니다.
오해
액체 압력은 아래쪽으로만 작용한다
정답
틀렸습니다. 액체는 흐를 수 있기 때문에 측벽에 압력을 가하고, 위쪽으로의 부력 원리로 인해 물체 바닥에 위쪽으로 압력을 가하기도 합니다.
추가 읽을거리
시작할 준비가 되셨나요?
이제 기초를 이해했으니, 대화형 실험을 시작해 보세요!