피식실험

동기: 일상생활 속에서 자주 접하는 유압 기계의 작동 원리와 자동차 브레이크 시스템이 작동하는 원리에 대한 궁금증에서 비롯되었다.이러한 간단한 물리 법칙이 다양한 산업과 기술에 응용되는 과정을 이해하면서 통해 실생활 문제를 해결하는 데 적용할 가능성을 모색하고 싶어졌다.

목표: 파스칼 원리가 자동차 브레이크 시스템에 어떻게 적용되는지를 이론적으로 분석하고 이러한 원리가 차량 안전성과 효율성을 높이는 데 기여하는 방식을 이해한다.

내용: 압력은 단위 면적당 물체 표면에 수직으로 가해지는 힘이다.아래 그림과 같이 피스톤에 힘이 작용했을 때 피스톤의 면적당 액체 또는 기체가 받는 힘이다. 이를 식으로 표현하면 식 1과 같다.

식1 : P(압력)= F(힘)/A(단면적) =  N/m^ 

압력에 대해 조금 더 자세히 알아보기 위해 아래와 같이 정적 상태에 있는 유체에 잠긴 물체를 생각해보면 물체에는 압력이 가해지고 있는데 각 방향에서 같은 세기의 압력이 물체 표면에 수직으로 가해지고 있는 것이다. 파스칼의 원리는 밀폐된 공간에서 비압축성 유체는 압력 변화가 발생할 때, 모든 부분에 동일한 압력으로 작용한다. 여기서 비압축성 유체는 유체가 외압에 의해 밀도의 변화가 없는 물질을 말하고 절대적이지는 않지만 통상 액체는 비압축성 유체, 기체는 압축성 유체라고 할 수 있다. 파스칼의 원리를 이용한 대표적인 예가 바로 자동차 리프트이다. 왼쪽에서는 작업자가 작은 힘으로 작은 면적의 피스톤을 동작시키고, 파스칼의 원리에 의해 유체의 압력은 어느 지점에서나 동일하기 때문에 반대편 차량을 받치고 있는 피스톤에도 동일한 압력이 작용한다. 하지만 차량을 받치고 있는 피스톤은 면적이 넓기 때문에 더 큰 힘을 발휘할 수 있어 차량과 같은 무거운 물체를 들어 올릴 수 있다. 

식2 : P= F1/A1=F2/A2 

치약을 짜는 원리도 마찬가지이다. 사람이 손으로 치약을 짜면 압력이 발생하게 되는데, 파스칼의 원리에 의해 이 압력이 치약에 골고루 압력을 받게 되므로 색깔이 있는 치약이 같은 압력을 받아 고른 줄무늬를 내며 나오게 되는 것이다. 자동차의 브레이크 역시 파스칼의 원리를 이용하였는데 브레이크 페달로부터 생성된 유체의 압력은 각 유체의 부분에 골고루 전달되어 차량 모든 바퀴에 균등한 제동력을 생성할 수 있다.

결론 및 더 알고싶은 내용: 탐구를 통해 파스칼 원리가 자동차 브레이크 시스템에서 압력 전달과 힘 증폭의 원리로 작용하여 차량의 안전성을 높이는 핵심 역할을 한다는 것을 확인할 수 있었고 전기차와 자율주행차와 같은 미래 자동차 기술에서 파스칼 원리가 어떤 방식으로 응용될 수 있을지도 알아보고 싶다.