물체에 연결된 줄을 팽팽하게 잡아당기면 줄은 물체에서 멀어지려는 방향으로 줄을 따라 물체를 잡아당긴다. 이때 줄이 팽팽히 당겨진 긴장상태에 있기 때문에 이러한 힘을 장력이라고 한다. 줄에 걸린 장력은 물체에 작용하는 힘의 크기와 같다.줄에 걸리는 힘의 크기를 줄의 장력이라고 한다.
보통 줄의 질량은 매달린 물체의 질량보다 작기 때문에 무시하고 줄이 늘어나지 않는다고 가정한다. 즉 줄은 두 물체를 연결하는 것으로만 간주한다. 그리고 실의 장력이 T라는 것은 양쪽으로 T라는 힘으로 잡아당기는 것이다.
예를 들어, 줄을 통해 물체에 작용하는 힘의 크기가 100N이면 줄에 걸리는 장력은 100N이다. 실을 물체에 매달고 50N으로 잡아당기면 실은 양쪽으로 50N의 힘을 받는다.
힘의 단위(N) |
의 가속도를 일으키는 힘의 크기를 1뉴턴(기호 N)이라 한다.① 질량 1kg의 물체에 작용하여 1m/s의 가속도를 일으키는 힘의 크기를 1뉴턴(기호 N)이라 한다.
질량 1g의 물체에 작용하여 1cm/s
의 가속도를 생기게 하는 힘의 크기를 1다인(기호 dyn)이라 한다.
② 질량 1kg의 물체에 작용하는 중력의 크기를 1중량킬로그램(기호 kgw 또는 kgf)이라 한다.
1kgw의 힘은 질량 1kg의 물체에 중력가속도 g=9.8m/s
을 생기게 하는 힘이다.
따라서 1kgw=9.8N이다.
다만 중력가속도는 장소에 따라 조금 달라지므로, 엄밀하게는 표준중력인 g
=9.80666m/s
를 쓴다.
액체의 표면에서 그 표면적을 작게 하도록 작용하는 힘. 물방울이나 수은의 입자(粒子)가 둥글게 되는 것은 이 힘 때문이다.
일반적으로 생각할 수 있는 기체-액체, 기체-고체, 액체-액체, 액체-고체, 고체-고체의 5종류의 계면(界面) 중에서 특히 기체-액체 및 기체-고체의 계면을 표면이라 하며, 따라서 표면장력은 2상(相) 사이의 계면의 면적을 축소하도록 작용하는 힘, 즉 계면장력(界面張力)의 일종이다.
표면장력이 생기는 것은 표면에서의 액체분자의 분포와 배향(配向)이 상(相)의 내부와 다르기 때문이다.
액체 내에 있는 분자는 그 주위에 존재하는 분자로부터 인력(引力)을 받고 있는데, 표면에 있는 분자는, 그 주위에 있는 분자수가 내부의 분자에 비해 반이 되고, 받는 인력도 반이 된다([그림]).
이것은 표면의 분자는 내부의 분자에 비해 여분의 에너지를 갖고 있음을 의미하며, 따라서 표면의 분자상태가 표면장력을 결정한다.
표면장력은 대체로 단위길이당의 힘(dyn/cm=10
N/m)으로 표시된다.
액체의 표면을 넓히려면, 이 장력에 저항하여 일을 해야만 하며, 액체의 단위면적의 표면을 만드는 데 필요한 일도 표면장력과 같다.
이 일은 자유에너지로서 표면에 저장되는 것이므로, 표면장력은 단위면적당의 표면자유에너지(erg/cm
=10
J/m
)와도 같다.
대부분의 경우, 액체의 온도가 상승하면 분자의 열운동이 활발해져 분자간 거리가 증대함에 따라 분자간 인력이 작아지므로 표면장력은 약해진다.
임계온도(臨界溫度)가 되면 표면장력은 0이 된다.
표면장력의 측정법에는 정적(靜的) 측정과 동적(動的) 측정이 있다.
정적 측정의 대표적 방법에는 모세관법(毛細管法)·적중법(滴重法)·포압법(泡壓法)·윤환법(輪環法) 등이 있다.
가장 간단한 모세관법은 액체에 젖을 만한 모세관을 액체 속에 담가 모세관 속을 상승한 액체의 높이가 표면장력과 비례하는 것을 이용하는 방법이다.
윤환법은 뒤누이의 표면장력계라고도 하는데, 백금고리를 액면(液面)에 수평으로 닿게 한 다음 가만히 당겨 올려 액면에서 떨어지려는 순간에, 고리에 작용하는 표면장력과 균형을 이루는 힘을 저울로 측정하는 방법이다.
동적 방법에는 액면에 작은 물결을 일으켜 그 진행속도와 파장(波長)을 측정하는 표면장력파법과 제트법 등이 있다.
늘어나기
저울의 눈금은 얼마인가?
a) 0 kg b) 10 kg c) 20 kg
해 답 : 늘어나기
답은 b) 10 kg이다. 저울과 추를 매단 끈에는 10kg 장력이 걸린다.
아래와 같은 연속된 그림에서 이것을 알 수 있다.
a에서 10kg의 무게가 매달린 저울의 눈금은 분명 10kg이다.
b에서는 한 개의 도르래를 이용해 장력의 방향이 바뀌었으나 마찰을 무시할 수 있으면 줄에 걸린 장력의 크기는 변함없이 저울의 눈금 10kg을 가리킨다.
c에서는 도르래를 하나 더 이용해 줄의 한 쪽 끝을 벽면 대신 바닥에 고정시킨다.
저울은 역시 변함 없다. 한 쪽에는 10kg의 무게를 연결하고 다른 한 쪽 줄의 끝은 천장이나벽, 바닥 어디에나 고정시켜도 결과는 마찬가지다. 이제 거기다 대신 무게를 가한 것이 그림 d 다. 다른 쪽의 무게를 유지하는 데 필요한 똑같은 장력이 걸리려면 그 무게의 크기는 얼마여야 할까? 10kg이다.
그러므로 비록 줄에는 10kg의 장력이 작용해도 전체 계는 균형을 유지하여 평형상태에 도달하게 된다. 즉, 순힘이 0이 되어 가속도는 일어나지 않는다.
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