파스칼의 원리에 관한 기사
유압 리프트는 어떻게 자동차를 들어 올리는 데 사용될까요? 유압 브레이크는 자동차의 속도를 줄이기 위해 사용될 때 어떤 원리로 작동할까요? 이를 이해하기 위해 파스칼의 원리를 배우세요.
모든 유체는 접촉하는 모든 물체에 항상 압력을 가합니다. 컵에 담은 물은 유리벽에 압력을 가하고, 마찬가지로 수영장이나 바닷물에 몸을 담그면 수영장 물이나 바닷물 또한 우리 몸 전체에 압력을 가합니다.
특정 깊이에서의 총 수압, 예를 들어 200미터 깊이의 해수압은 대기압과 200미터 깊이에서 측정된 압력을 합한 값입니다. 따라서 수압 외에도 다른 압력이 존재합니다.
또한 해수면을 억제하는 대기 현상도 존재합니다.
대기압은 모든 유체 표면에 작용하며, 이 압력은 유체 전체에 분포됩니다. 따라서 특정 깊이에서의 유체 전체 압력은 표면 유체층의 압력 외에도 대기압의 영향을 받습니다.
이 설명을 더 잘 이해하기 위해 용기 안에 담긴 액체를 다시 살펴보겠습니다.
용기 바닥의 액체 압력은 당연히 윗면의 액체 압력보다 높습니다. 아래쪽으로 갈수록 액체 압력은 높아지고, 반대로 용기 윗면에 가까울수록 액체 압력은 낮아집니다.
압력의 크기는 ρ ≈ gh (ρ = 밀도, g = 중력 가속도, h = 높이 또는 깊이)에 비례합니다. 같은 깊이에 있는 모든 지점에서 압력의 크기는 동일합니다. 이는 용기의 모양과 관계없이 모든 액체에 적용됩니다.
외부에서 압력을 가하면, 예를 들어 액체 표면을 누르면 액체 내부의 압력 증가는 모든 곳에서 동일합니다. 즉, 외부 압력이 가해지면 액체의 각 부분은 같은 크기의 압력을 받게 됩니다. 따라서 같은 깊이의 모든 지점에서는 압력이 항상 같습니다. 이것이 바로 블레즈 파스칼(1623-1662)의 이름을 따서 명명된 파스칼의 원리입니다. 파스칼은 프랑스의 철학자이자 과학자입니다.
파스칼의 원리는 밀폐된 공간에서 액체에 가해지는 압력은 액체의 각 부분과 용기의 벽으로 전달된다는 것을 나타냅니다.
파스칼의 원리 적용
인간은 파스칼의 원리에 기반하여 삶을 더욱 편리하게 해주는 단순하고 정교한 여러 도구를 만들어냈습니다. 유압식 리프트, 유압식 브레이크 등이 그 예입니다.
유압 리프트
유압 리프트는 두 개의 표면을 가진 용기로 구성됩니다. 두 표면 모두에 피스톤이 있으며, 왼쪽 피스톤의 표면적은 오른쪽 피스톤의 표면적보다 작습니다. 피스톤 표면적은 용기의 표면적에 맞춰 조정됩니다. 용기에는 윤활유와 같은 액체가 채워집니다.
표면적이 작은 피스톤을 아래로 누르면 액체의 각 부분도 마찬가지로
눌러지는 상황입니다. 표면적이 작은 피스톤이 가하는 압력은 액체의 모든 부분에 전달됩니다. 결과적으로 액체는 표면적이 더 큰 피스톤을 눌러 위로 밀어 올립니다. 눌리는 피스톤의 표면적이 작기 때문에 액체를 누르는 데 필요한 힘도 작습니다. 하지만 압력이 액체의 모든 부분에 지속적으로 전달되기 때문에, 액체가 표면적이 큰 오른쪽 피스톤을 누르면 작은 힘이 커집니다. 표면적이 큰 피스톤에 힘을 가하는 경우는 드물기 때문에 효율적이지 않습니다. 표면적이 큰 피스톤의 윗부분에는 보통 들어 올려야 하는 물체나 물건(예: 자동차)이 놓여 있습니다.
엄청난 무게의 자동차가 피스톤 하나만 눌러도 쉽게 들어 올려진다고 해도 놀라지 마세요. 피스톤의 표면적이 매우 작기 때문에 가하는 힘 또한 작습니다. 하지만 출력 표면적이 크면 작은 입력 힘도 엄청난 출력 힘으로 바뀔 수 있습니다.
예제 문제 1:
알려진 바에 따르면:
A 1 = 100 cm 2
A 2 = 250 cm 2
F 1 = 200 N
구함: F 2
솔루션 :
예제 문제 2:
알려진 바에 따르면:
A 1 = 100 cm 2 = 100 x 10 -4 m 2 = 0.01 m 2
A 2 = 250 cm 2 = 250 x 10 -4 m 2 = 0.025 m 2
하중의 질량 = 200kg
기름의 밀도(ρ) = 780 kg/ m³
기름 기둥의 높이(h) = 2m
중력 가속도(g) = 10 m/ s²
구함:
하중이 평형 상태(움직이지 않는 상태)를 유지하려면 최소 입력 힘(F)은 얼마여야 합니까?
솔루션 :
