生生실험실 - 물이 누르는 압력

물이 누르는 압력

준비물

실험과 관찰

1. 플라스틱 병에 못으로 크기가 같은 구멍을 위 아래로 4 개 뚫습니다.

2. 넙적한 접시에 병을 놓습니다.

3. 물감을 탄 물을 빨리 병에 부은 후 병으로부터의 물 줄기를 관찰하세요.

왜 그럴까요?

질량을 가진 물체는 그 물체가 놓여 있는 면에 수직으로 힘을 작용합니다. 이것은 지구가 질량을 가진 물체를 지구 중심으로 잡아 당기기 때문에 책이 책상면을 내리누르는 효과를 내기 때문입니다.

이 힘은 물체의 질량이 커지면 커집니다.

그렇다면 같은 책을 눕혔을 때와 세워 놓았을 때는 어떤 차이가 있을까요?

두 경우 책의 질량이 같으니까 책상면에 같은 크기의 힘을 작용하겠지요. 하지만 책이 책상면과 닿아 있는 면적이 다르지요.

같은 크기의 힘이 서로 다른 면적에 작용하면 당연히 두 경우 같은 면적의 책상면에 작용하는 힘이 다르겠지요.

이렇게 같은 면적에 작용하는 힘을 비교해야 하는 경우가 많은데, 이때 1 ㎠, 1㎡, 등 1 로 표현되는 면적을 사용하여 서로 비교할 수 있습니다. 이런 면적을 단위 면적이라고 부릅니다. 그리고 단위 면적 당 작용하는 힘을 압력이라고 합니다.

압력 = 힘 / 면적

위의 경우 책을 눕힌 경우보다 책을 세운 경우 더 큰 압력을 책상면에 발휘하는 거지요. 자연 현상은 힘보다는 압력에 의해 좌우되는 경우가 많습니다.

이제 구멍 높이에 따라 물줄기가 나아가는 길과 압력이 어떤 관계가 있는지를 알아 볼까요? 물도 질량을 가지므로 물이 놓인 표면에 힘을 가합니다. 아래 그림처럼 밑 면적이 같은 물 기둥을 세워두면 왼쪽의 경우 질량이 더 크고 따라서 바닥에 더 큰 힘을 작용하지요.

위의 경우 바닥과 닿는 물기둥의 면적이 같으므로 물기둥이 높을수록 책상면에 작용하는 압력이 큽니다.

기체나 액체와 같이 흐를 수 있는 물질을 유체라고 합니다. 대표적인 예가 물입니다. 물은 물 속에 있는 물체에게 어떤 방향으로 압력(수압)을 가할까요? 먼저 아래의 동영상을 관찰해 보세요. 아랫 부분에 구멍을 뜷은 빈 플라스틱 병을 물 속에 넣은 것입니다.

모든 방향에서 플라스틱 병 안으로 물이 들어오는 것을 보았지요? 이것은 물이 물체의 표면에 모든 방향으로 압력을 가한다는 것을 말해줍니다. 그리고 물은 다른 물체의 표면에 수직으로 압력을 가합니다.

물기둥이 높을수록 바닥면에 수직으로 작용하는 압력이 커지고, 물에서는 모든 방향으로 압력을 작용한다는 점을 적용하여 물이 든 병의 여러 높이에서의 수압을 나타내면 아래 그림과 같습니다.

그렇다면 이번 실험에서 사용한 물을 담은 병에서는 어느 구멍에 작용하는 물의 압력이 가장 클까요?

당연히 더 높은 물기둥을 위에 가지고 있는 ㉠의 경우 더 큰 압력을 받겠지요. 그렇다면 ㉠의 구멍으로부터 나오는 물줄기가 ㉡ 구멍으로부터 나오는 물줄기보다 더 멀리 나아가겠지요. 공을 세게 던졌을 때 더 멀리나가는 것처럼.

관련 관찰 사항

물총으로 물을 쏙 때 손에 힘을 많이 준 때와 약하게 준 때 어떤 차이가 있나요? 큰 힘을 주어 물총을 누르면 물줄기가 멀리 나가고, 약한 힘을 주어 물총을 누르면 물 줄기가 멀리 나가지 못하지요.