물 부유물의 원리 이해 : 부력과 안정성이 설명

1. 부력 원리
부력은 액체의 물체에 가해지는 상향 힘입니다. 이 힘의 크기는 물체에 의해 변위되는 액체의 무게에 의해 결정된다. 고대 그리스 학자 Archimedes가 발견하고 Archimedes의 원칙으로 알려진이 원리는 다음과 같습니다.
액체에 담긴 물체는 물체에 의해 변위 된 액체의 무게와 동일한 상향 부력 힘을 경험합니다.
부력의 효과 :
언제 a 물 떠 다니는 몸 물체는 물에 담그고 물은 물체에 상향 힘을 가하여 떠 다니게합니다. 물의 물체의 부력이 무게와 같으면 물체는 표면에 남아 있습니다.
플로팅 물체의 밀도와 물의 밀도 사이의 관계는 물체가 떠 다닐 수 있는지 여부를 결정합니다. 물체의 밀도가 물의 밀도보다 크면 부력은 물체의 무게를지지하기에 충분하지 않으며 물체가 가라 앉습니다. 반대로, 물체의 밀도가 물의 밀도보다 작 으면 부력이 물체를지지하기에 충분하고 물체가 떠 다니는 것입니다.
부력과 물체의 양 사이의 관계 :
물체의 양이 클수록 물이 더 많아서 부력이 커집니다. 예를 들어, 큰 선박은 매우 무겁지만 부피가 충분한 양의 물을 대체하기 때문에 떠 다닐 수 있습니다.

부력과 액체 밀도의 관계 :
물의 밀도는 일반적으로 1000kg/m³입니다. 바닷물이나 해수는 밀도가 높기 때문에 바닷물의 물체가 떠 다닐 가능성이 높습니다. 밀도가 높은 액체는 더 큰 부력을 제공합니다.

2. 안정성
부동 물체의 안정성은 수면의 균형을 유지하는 능력을 나타냅니다. 고정 물체와 달리 떠 다니는 물체는 파도 및 바람과 같은 외부 교란에 대처해야합니다.

초기 안정성 :
중심 : 물체의 무게 중심은 모든 중력의 힘이 수렴되는 지점입니다. 부동 물체의 안정성은 무게 중심의 위치와 밀접한 관련이 있습니다.
부력의 중심 : 부력의 중심은 물이 떠 다니는 물체에 부력을 가하는 지점입니다. 떠 다니는 물체가 물에 담그면 물의 부력이 골고루 분포되고 부력의 중심은 물이 부유 한 물체에 부력을 가하는 중심입니다.

무게 중심과 부력 중심 사이의 관계 : 부동 물체의 안정성을 보장하기 위해 부력의 중심은 무게 중심 바로 아래에 있어야합니다. 떠 다니는 물체가 기울어지면 부력의 중심과 무게 중심 사이에 토크가 생성되어 원래 평형 상태로 돌아갑니다.

기울기 후 안정성 :
떠 다니는 물체가 기울어지면 부력과 중력이 여전히 작용합니다. 부력 중심과 무게 중심의 다른 위치로 인해 복원 토크가 생성되어 물체가 수평 위치로 돌아갑니다.

토크 복원 : 부력의 중심이 무게 중심보다 높으면 기울기 각도가 증가합니다. 부력의 중심이 무게 중심보다 낮은 경우 복원 토크는 물체를 평형 위치로 다시 끌어냅니다.

복원력:
선박 및 부동 플랫폼과 같은 동적 부유 물체의 경우 외부 교란 (예 : 파도 및 바람)으로 인해 물체가 동적으로 기울어 질 수 있습니다. 이 경우 복원 토크와 방수가 공동으로 물체의 안정성에 영향을 미칩니다.

파도가 안정성에 미치는 영향 : 파도 높이,주기 및 방향은 모두 부동 물체의 동적 안정성에 영향을 미칩니다. 플로팅 플랫폼 설계는 일반적으로 다양한 해상 조건에서 안정성을 보장하기 위해 이러한 요소를 고려합니다.

3. 부동 물체 안정성에 영향을 미치는 요인
떠 다니는 물체의 안정성은 물리 법칙에 의해 지배 될뿐만 아니라 여러 요인에 의해 영향을받습니다.
모양의 효과 :
부동 물체의 기하학적 모양은 물 흐름과 부력 분포에 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어, 길고 뾰족한 선체는 롤링이 발생하기 쉽고 넓은 떠 다니는 물체는 균형을 유지할 가능성이 높습니다.
간소화 된 디자인 : 고속 부유 물체 (선박 및 잠수정)의 경우, 간소화 된 디자인은 방수 저항을 줄이고 안정성 및 효율성을 향상시키는 데 도움이됩니다.
재료 밀도 :
부동 물체의 재료 밀도는 부력에 중요합니다. 가벼운 재료 (예 : 목재, 플라스틱 및 알루미늄 합금)는 밀도가 낮고 부력이 있습니다.
물질의 밀도가 물의 밀도 (철 또는 강철과 같은)보다 큰 경우 물체가 크면 물체가 가라 앉습니다. 따라서 중공 구조 또는 경량 재료는 부유 한 물체 설계에 종종 부력을 보장하기 위해 사용됩니다.
수 밀도 :
수분 밀도는 온도, 염분 및 압력에 의해 영향을받습니다. 예를 들어, 해수의 밀도 (약 1025 kg/m³)는 담수 (약 1000kg/m³)보다 높습니다. 따라서 바다의 부동 구조물을위한 설계는 일반적으로 담수 설계보다 부력과 안정성에 더 큰주의를 기울여야합니다.

온도 : 따뜻한 물은 냉수보다 밀도가 낮으므로 따뜻한 물의 부유물은 부력이 줄어 듭니다.

4. 부동 구조의 설계 및 적용
부동 구조를 설계 할 때 부력, 안정성 및 실제 응용 요구 사항의 균형을 맞춰야합니다. 다른 응용 분야에는 다른 부동 구조가 필요합니다.

선박 및 부동 플랫폼 :
선박 디자인 : 선체 디자인은 부력과 안정성뿐만 아니라 기동성 및 속도와 같은 요소를 고려해야합니다. 함량을 방지하기 위해 선박의 무게 중심이 낮게 유지되어야합니다. 선체 설계에는 일반적으로 부력과 캡 사이즈 저항을 증가시키기위한 여러 방수 구획이 포함됩니다.

플로팅 풍력 터빈 및 부유 식 태양열 발전소와 같은 부유 플랫폼은 플랫폼이 역동적 인 하중 (바람, 파도 등)을 견딜 수 있고 바람과 파동 저항을 충분히 견딜 수 있도록 설계되어야합니다. 부동 구조 및 생태 개발 :
부동 풍력 발전 : 해상 풍력 발전이 증가함에 따라 부유 식 바람 플랫폼은 더운 지역이되었습니다. 수심 제한으로 인해 많은 풍력 터빈이 표면에 떠 다니야합니다. 이 플랫폼은 파도와 바람의 영향으로 시간이 지남에 따라 안정성을 유지하도록 설계되어야합니다.
부동 태양 에너지 : 부유 식 태양 전지판 시스템은 일반적으로 호수, 강 또는 바다 표면에 배치되어 물의 냉각 효과를 사용하여 세포 효율을 향상시킵니다. 이러한 설계는 플로팅 시스템이 파도 및 강한 바람과 같은 자연 요소의 영향을 견딜 수 있어야합니다.

5. 응용 프로그램 예제
해상 플랫폼 : 해외 석유 시추 플랫폼과 같은 강한 바람과 파도의 안정성을위한 설계에 특별한주의가 필요합니다. 플로팅 플랫폼은 다양한 해상 조건에서 균형을 유지할 수 있어야합니다.
떠 다니는 다리와 플랫폼 : 부유 교량은 물의 다른 지역을 연결하도록 설계된 구조물이며, 종종 응급 구조 및 단기 운송에 사용됩니다. 그들은 조석 변동과 파동 영향에 따라 안정성을 보장해야합니다.
수상 스포츠 장비 : 범선 및 웨이크 보드와 같은 장비는 부력뿐만 아니라 간소화 된 움직임 및 안정성을 위해 설계되어야합니다. 돛, 중력 구성 및 제어 시스템은 또한 부동 구조의 안정성에 영향을 미치는 주요 요인입니다.

6. 실험 및 시뮬레이션
물리적 실험 : 다양한 물 조건 하에서 부동 구조의 성능을 측정하는 실험은 설계에 대한 실제 데이터를 제공합니다. 이 실험은 일반적으로 부력, 안정성 및 바다 키핑 기능을 테스트하기 위해 탱크 또는 시뮬레이션 된 해양 환경에서 수행됩니다.
계산 유체 역학 (CFD) :
CFD 시뮬레이션은 부력, 드래그 및 파도를 물 속의 부동 구조에 작용하는 것을 시뮬레이션합니다. 수치 방법을 사용하여 CFD 시뮬레이션은 복잡한 물 조건에서 부동 구조의 거동을 분석하고 예측할 수 있습니다.
이 시뮬레이션은 엔지니어가 잠재적 인 설계 결함을 미리 식별하고 부동 구조의 모양과 구조를 최적화하여 전반적인 안정성과 안전성을 향상시킵니다.