부력실험-유체 속에서 물체가 잘 뜨기 위한 조건은?

이번 포스팅은 부력실험 관련 시리즈 2탄 '유체 속에서 물체가 잘 뜨기 위한 조건은?' 입니다. 

학생들과 재미 있는 실험이 될수 있도록 잘 지도해 주시기 바랍니다.

탐구활동

1. 활동준비

투명한 1.5L 패트병, 찌통(직경 약 5mm, 마개 포함), 고무찰흙, 가위

2. 만들고 해보기 

가. 플라스틱 음료수병 속을 자유스럽게 오르락내리락 하는 잠수함을 만들어보자.

나. 찌통의 길이를 약 5~7cm 정도로 자르고, 한 쪽은 마개를 씌운다.

다. 찌통에 고무찰흙을 붙여 모형 잠수부를 만든다. 이 때, 잠수부가 물 위에 겨우 뜰 수 있게 고무찰흙의 양을 조절한다.

라. 페트병에 물을 가득 넣고, 찌통을 마개로 막은 쪽이 위로 가도록 하여 페트병 속에 넣는다.

마. 페트병 뚜껑을 닫고, 옆부분을 두 손으로 눌러 모형 잠수부가 움직이는 모습을 관찰한다.

바. 힘껏 눌렀는데도 모형 잠수부가 움직이지 않으면 고무찰흙의 양을 다시 조절한다.

3. 설명하고 토론하기

가. 손으로 페트병을 누르면 모형 잠수부가 가라앉는 이유는 무엇일까?

[교사용 Tip] 페트병 양쪽 옆을 누르면 모형 잠수부가 밑으로 가라앉고 다시 손을 놓으면 떠오른다. 페트병을 누르면 압력이 세어져 찌통 안으로 물이 더 들어가 잠수부가 무거워져서 아래로 가라앉는다. 즉, 잠수부에 작용하는 중력이 부력보다 커진다. 다시 손을 놓으면 찌통 안으로 들어간 물이 빠져 나와 가벼워짐으로써 다시 물 위로 떠오른다. 이 때 들어갔다 나오는 물은 적은 양이므로 손으로 눌렀다 놓았다 하면서 자세히 관찰해야 한다.

나. 잠수함이 물에 뜨는 원리를 생각해보고 이 실험과의 연관성에 대해 생각해보자.

[교사용 Tip]  잠수함은 바닷물 속에 잠수되어 있을 때 잠수함 선체의 체적만큼 가벼워지는데 이 부력이 잠수함의 무게와 같을 때 잠수함은 바닷물 속에서 뜨거나 가라앉지 않게 된다. 만약 이 상태에서 잠수함이 부력을 더 가지게 된다면 수면으로 떠오르게 될 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 주로 공기탱크를 선체 외부에 설치하여 공기탱크 내에 물이 채워졌을 때 잠수함의 무게가 부력과 같아지도록 조정하고 수면으로 부상하기 위하여 공기탱크 내의 공기를 밖으로 배출할 수 있도록 공기탱크 상부에 있는 차단밸브를 열어서 이루어지며 이때 바닷물이 유입되어 공기탱크를 채우게 된다. 차단밸브의 개폐와 공기 탱크내로의 압축공기 공급은 선체 내에서 조작한다. 잠수함에 승선 인원 또는 장비가 추가되어 무거워질 경우 무거워진 만큼의 무게를 보상하기 위한 물탱크를 별도로 선체 내에 설치하여 물탱크내의 물을 항외로 배출하여 무거워진 무게를 조정한다.