[비문학 과학지문] 중력, 부력, 항력

2016년도 수능에는 그 이름도 유명한 '유체역학'이 독서 과학 지문으로 출제되었습니다. 

이과생들에게도 어려운 유체역학이 국어영역에서 출제되다니. 

모르는 과학 개념이 나왔을 때 어떤 식으로 접근해야 할 지 지문을 분석하며 알아봅시다. 

그리고 30번 <보기> 문제까지 같이 풀어봅시다. 

 

지난 시간에는 과학 지문 중 천문학 지문을 읽는 방법에 대해 배워보았습니다. 

 

1. 지문에 나오는 값으로 다른 값 표현하기 

2. 태양, 달, 지구의 궤도를 그려볼 것 

 

이번에는 물리입니다. 

천문학과는 조금 다른 접근 방식이 필요합니다. 

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1. 과학지문 읽는 법: 물리학 지문

• 간단한 수식으로 정리하기
• 같은 물체에 작용하는 힘의 방향들을 표시해 보기 

 

2. 간단한 수식으로 정리하기 

 

물리학과 화학은 수학과 크게 다르지 않습니다. 

뭔가를 정의하고, 서로 다른 값들을 계산해서 결론을 도출하는 학문이죠. 

 

그래서 물리학의 여러 힘들은 그 정의가 곧 계산 방법입니다. 

중력, 부력, 항력 지문 정의

 

두번째 문장부터 중력의 정의가 나옵니다. 

중력은 물체의 질량에 중력 가속도를 곱한 값이다. 

이어 부력의 정의도 나옵니다. 부력은 부피에 해당하는 유체의 무게이다. 

 

다음으로 항력이 나오죠. 

항력은 마찰 항력과 압력 항력의 합이다. 

과학 지문에서 비례 관계는 중요합니다. 

항력은 속도에 비례, 마찰 항력은 점성과 표면적에 비례, 그리고 압력 항력은 단면적과 크기에 비례합니다. 

 

이제 우리는 각각의 값을 계산할 수 있습니다. 

다음으로 넘어갈까요?

 

 

3. 힘의 방향을 표시할 것

 

각각의 힘을 어떻게 계산하는 지 알았으니, 각 힘이 어떻게 작용하는지를 알아야 합니다. 

그것이 바로 힘의 방향입니다. 

1문단에서부터 힘의 방향 이야기가 나옵니다. 

부력은 항상 중력의 반대 방향으로 작용한다. 

 

그리고 2문단. 

항력은 물체의 운동 방향과 반대로 작용한다. 

 

그리고 마지막 문단을 보면 이동 방향으로 작용하는 힘과 반대 방향으로 작용하는 힘이 평형을 이루면 물체의 가속도는 0이 되고, 이 때 일정해진 속도를 종단 속도라고 한다고 했습니다. 

 

지문에서 얻을 수 있는 정보는 다 얻었습니다. 

문제로 가봅시다. 

 

 

4. 문제에 적용하기: 16 수능 국어 30번

 

<보기>
크기와 모양은 같으나 밀도가 서로 다른 구 모양의 물체 A와 B를 공기 중에 고정하였다. 이 때 물체 A와 B의 밀도는 공기보다 작으며, 물체 B의 밀도는 물체 A보다 더 크다. 물체 A와 B를 놓아 주었더니 두 물체 모두 속도가 증가하며 상승하다가, 각각 어느 정도 시간이 지난 후 각각 다른 일정한 속도를 유지한 채 계속 상승하였다. 

 

부력, 중력, 항력의 작용 방향

 

1) 고정되어 있다는 것은 운동을 하지 않는다는 것이죠. 항력은 이동 방향 반대로 작용하는 힘이었습니다. 

고정되어 있을 때 A와 B의 항력은 0으로 동일합니다. 

 

2) A와 B가 일정한 속도를 유지할 때, 즉 종단 속도일 때의 항력을 물어보고 있습니다. 

힘의 작용방향을 알고 있는 우리는 종단 속도일 때 부력 = 중력 + 항력이라는 사실을 추론할 수 있습니다. 

부력은 중력 반대이고, 항력은 이동방향 반대인데 이동방향이 부력 방향이니까요. 

 

부력의 정의는 부피에 해당하는 유체의 무게였습니다. A와 B의 부피는 같다고 했죠. 즉 부력도 같습니다. 

중력은 질량에 비례합니다. 부피가 같은데 밀도가 높다면 질량은 더 크겠죠? 따라서 B의 중력이 더 큽니다. 

위의 공식에 대입해보면 평형을 이루었을 때의 항력은 A가 B보다 크다는 것을 알 수 있습니다. 

 

3) 부력과 중력은 운동 속도에 영향을 받지 않습니다. 

속도가 증가하던 고정되어 있던 A의 부력과 중력의 크기는 동일합니다. 

 

4) 속도가 증가하면 항력도 증가했습니다. 

 

5) 공기보다 밀도가 더 큰 기체에 B가 있다면, 중력은 동일하지만 부력은 더 커질 것입니다. 

평형을 이루기 위해서는 항력이 더 커져야겠죠? 따라서 정답은 5번입니다. 

 

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