[물리실험] 힘센서를 이용한 부력 측정

[물리실험] 힘센서를 이용한 부력 측정

 

 

1. 실험목적

인터페이스와 힘센서 사용법을 알고 DATA STUDIO를 이용한다.
힘센서를 이용하여 물의 부력을 측정한다.

2. 실험 준비물

기구: 인터페이스 750, 힘센서, 랩잭, 비커, 스탠드, 클램프, 원통형추
시료: 물, 우유, 콜라

3. 실험 원리

(1) 부력이란 무엇인가?

중력의 작용 하에 유체속에 있는 정지 물체가 유체로부터 받는 중력과 반대방향의 힘을 나타내는 것으로 크기는 유체 속에 있는 물체의 부피와 같은 부피의 유체의 무게와 같으며, 이것은 아르키메데스가 발견했기 때문에 아르키메데스의 원리라 한다. 부력의 작용점은 물체가 밀어낸 부분에 유체가 있다고 가정했을 때의 무게중심과 일치한다. 이 작용점을 부력중심이라 하며, 부체(떠 있는 물체)가 기울어져 있을 경우의 복원력을 결정하는 중요한 요소가 된다.

(2) 부력의 측정

액체에 잠긴 물체에 작용하는 부력은 물체가 밀어 낸 액체의 무게와 같고 식으로 나타내면 다음과 같다

잠긴 물체의 체적이 단면적 A, 잠긴 높이 h의 곱으로 표시 된다면 부력은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

물의 경우, 4℃ 에서 ρf=103kg/m3이므로 우리는 이 실험에서 물체가 물에 잠길 때 잠기는 높이(또는 체적)에 비례하여 부력이 선형적으로 증가하는가를 확인한다. 또한 추의 부피를 측정하여 그 부피에 해당하는 부력을 식①의 계산결과를 통해 이론적으로 얻을 수 있고, 계산에 의한 부력과 힘센서를 통한 부력이 일치하는 것을 보임으로써 위의 식을 정당화 할 수 있다. 액체가 물의 경우 뿐만아니라 밀도가 다른 콜라, 우유, 식용유등의 다양한 액체를 사용하여 밀도가 다를 때 부력의 차이가 어떻게 나며 이를 통한 각 액체의 밀도도 계산해 낼 수 있다.

4. 실험 방법

 

그림. 물에 잠긴 원통추

[실험 장치 setting]
1. 스탠드에 클램프를 고정시킨다.
2. 클램프에 힘센서를 고정시킨다.
3. 힘센서의 연결 고리에 실로 원통형 추를 연 결한다.
4. 물이 반절 채워진 비커를 랩잭 위에 올려 놓는다.

[실험 순서]
1. 인터페이스 750을 컴퓨터에 연결한다.
2. 컴퓨터에서 DATA STUDIO를 실행시킨다.
3. DATA STUDIO에서 Create Experiment를 실행시킨다.
4. 힘센서를 인터페이스의 아나로그 포트에 연결시킨다.
5. 힘센서에 tare 버튼을 눌러 영점 조절을 한다.
6. DATA STUDIO에서 start 버튼을 누른다.
7. 랩잭을 천천히 (매우 부드럽게) 올리면서 원통형 추가 잠기게 한다.

그림. 다양한 용액에 따른 부력 측정

5. 실험 DATA 정리

 

6. 실험 토의

다양한 용액을 이용하여 용액의 밀도에 의한 부력 차이를 알아보고자 했으나, 물이 밀도와 상당한 차이를 보일 거라고 예상되었던 콜라와 우유를 측정해 보았을 때, 값이 거의 비슷하게 측정되었다. 그래서 그 측정값은 의미가 없었다. 얻은 결론은 콜라와 우유는 물과 거의 밀도가 비슷한 것이였다.
밀도에 따른 부력차이는 순수한 물에 소금이나 설탕 등의 용질을 녹여가면서 밀도를 다르게 해 측정해 보는 방법이 낫을 것이라 예상된다.

 

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