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힘과 압력은 어떻게 다른가?

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왜 바닥이 편평한 운동화를 신었을 때보다 뒷굽이 뾰족한 신발을 신었을 때 땅에 깊은 자국을 남기는가? 어떤 신발을 신든 바닥에 가하는 힘의 크기는 같다. 다른 점은 힘의 크기를 바닥과 접촉하는 면적으로 나눈 값이다. 일정한 면적에 작용하는 힘의 크기는 뒷굽이 뾰족한 신발의 경우 훨씬 더 크다. 단위 면적에 작용하는 힘을 압력이라고 한다. 예를 들어 몸무게가 50kg중(490N)인 사람이 바닥이 가로와 세로가 모두 1.5cm인 뾰족한 신발을 신었다고 가정해보자. 이 경우 신발 바닥의 면적은 2.2cm2이다. 이 사람의 몸무게가 양쪽 신발에 골고루 나뉜다고 가정하면 신발이 바닥에 가하는 압력은 약 4.5N/cm2이 된다. 압력은 대개 N/m2을 나타내는 파스칼(Pa)이라는 단위를 이용하여 나타낸다. 이 경우 신발의 압력은 110만 Pa 또는 1100kPa이다. 만약 이 사람이 밑바닥의 면적이 7.5×7.5cm인 신발을 신는다면 신발이 바닥에 가하는 압력은 45kPa이 된다.

공기의 압력은 약 101kPa이나 되는데도 우리는 왜 101kPa의 공기 압력을 느끼지 못할까? 첫째로는 공기의 압력이 우리 몸에 골고루 작용하기 때문이다. 두 번째로는 우리 몸의 외부와 내부에서 작용하는 압력의 크기가 같기 때문이다. 입과 코를 막고 공기를 들이마시려 해보면 공기의 압력을 느낄 수 있다. 외부의 압력이 내부의 압력보다 커지기 때문이다.

어떻게 공기 압력이 철로 만든 드럼통을 찌그러뜨릴 수 있을까?
공기의 압력을 보여주는 여러 가지 시범이 있다. 철로 만든 커다란 드럼통을 가스버너 위에 올려놓고 물을 일부 채운 후 가열해보자. 물이 끓으면 드럼통은 수증기로 가득 차게 된다. 드럼통이 공기 대신 수증기로 가득 찬 후 드럼통의 마개를 단단히 막고 가스버너의 불을 끈다. 드럼통이 식으면 수증기는 다시 물로 변한다. 수증기의 부피는 물의 부피의 약 1000배나 되기 때문에 수증기가 물로 바뀌면 드럼통 안에는 기체가 거의 남아 있지 않아 밖으로 내미는 압력이 0에 가까워진다. 그러나 101kPa이나 되는 외부 공기의 압력은 그대로 있다. 따라서 드럼통은 큰 소리를 내며 찌그러든다. 이 실험은 음료수 캔과 물을 이용해 간단히 해볼 수도 있다. 음료수 캔에 0.6cm 정도 높이로 물을 넣은 후 가열한다. 구멍을 통해 수증기를 수 분 동안 뺀 후 고무 덮개로 덮은 뒤 빠르게 위쪽을 물속에 집어넣는다. 이번에도 수증기가 물로 변한다. 외부의 물은 덮개가 막고 있어 거의 들어갈 수 없다. 음료수 캔에 어떤 일이 일어날까?

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폴 지체비츠 집필자 소개

칼턴 대학에서 물리학 학사, 하버드 대학에서 물리학 석·박사 학위를 받았다. 웨스턴온타리오 대학과 코닝글래스 연구소에서 연구원으로 지내다 미시간 대학 교수가 되어 35년 동안 학생들을 가르치며 ..펼쳐보기

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한 권으로 끝내는 물리
한 권으로 끝내는 물리 | 저자폴 지체비츠 | cp명지브레인 도서 소개

빛, 파동, 양성자와 중성자, 자동차, 컴퓨터, 건축, 스포츠에 이르기까지 생활을 편리하게 만들고 우주 여행까지 가능하게 만드는 물리학에 관한 모든 것을 담았다. 물리..펼쳐보기

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1장. 물리학의 기본적인 사항 물리학이란 무엇인가? 물리학에는 어떤 분야들이 있는가? 측정 물리학 관련 직업들 유명한 물리학자들 노벨상
2장. 운동과 운동의 원인 힘과 뉴턴의 운동 법칙
3장. 운동량과 에너지 운동량 에너지
5장. 유체 물의 압력 혈압 대기압 가라앉기와 뜨기: 부력 유체 역학:수력학과 기체 역학 공기 역학 음속 장벽 초음속 비행
6장. 열역학 열에너지 온도와 온도의 측정 절대 0도 물질의 상태 열역학
7장. 파동 물결파 전자기파 전자기파를 이용한 통신 전자기파에 정보 싣기 마이크로파 중첩의 원리 공명 임피던스 도플러 효과 레이더 차세대 기상 도플러 레이더 전파 천문학
8장. 소리 소리 소리의 속도 듣기 초음파와 초저음파 소리의 세기 음향학 음악 음향학 소음 공해
9장. 빛 빛의 속도 편광 불투명, 투명, 반투명한 물질들 그림자 반사 거울 굴절 렌즈 광섬유 회절과 간섭 색깔 무지개 시각 카메라 망원경
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11장. 자기력 전자기 전자석을 이용한 기술 우주에서의 자기장
12장. 세상은 무엇으로 만들어졌는가?
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