소스 봉지가 뜨고 가라앉게 하려면, 어느 추를 달까요?

완전히 물속에 잠긴 봉지를 놓을 때, 누르기 전에는 올라가고 누른 뒤에는 내려가게 할 추를 골라요. 세 후보의 질량과 부피를 함께 비교하고, 중립 상태는 제외해요.

나무 탁자 위 투명 물병과 작은 밀봉 소스 봉지, 따로 놓인 금속 집게

이미지: AI 생성 · 수학 이야기

소스 봉지에 추를 달아, 병을 누르기 전에는 올라가고 누른 뒤에는 내려가게 하려 해요. 세 추 중 어느 것을 고를까요? Exploratorium은 봉지 속 공기가 압축되면 밀어내는 물이 줄어 부력이 작아지는 활동을 설명해요.

물의 밀도는 1g/mL, 밀봉 봉지의 질량은 8.8g입니다. 봉지 부피는 누르기 전 10mL, 누른 뒤 9mL로 주어져요. 이는 측정값이 아닌 가상 자료예요. 추의 부피는 모두 0.1mL로 변하지 않으며 질량만 A 0.3g, B 0.5g, C 1.3g입니다.

봉지와 추를 붙여 완전히 물속에 넣어요. 각 상태에서 벽·바닥·수면에 닿지 않게 정지시켰다가 놓는 순간만 비교해요. 중력과 부력만 고려하고 마찰·표면장력은 제외해요. 힘이 0인 중립 상태는 올라감·내려감에 넣지 않아요.

추 질량을 c(g), 밀어낸 물의 질량에서 봉지와 추의 질량을 뺀 값을 D(g)라 해 볼까요? 부력과 무게에 공통인 양의 중력가속도를 약분하므로 D가 양수면 위로, 음수면 아래로 가속된다. 추도 물을 밀어내므로 물의 질량은 10.1g과 9.1g입니다.

D전=10.1−(8.8+c)=1.3−c,D후=9.1−(8.8+c)=0.3−c.\begin{aligned}D_{\text{전}}&=10.1-(8.8+c)=1.3-c,\\D_{\text{후}}&=9.1-(8.8+c)=0.3-c.\end{aligned}

공통수학1의 일차부등식 기초로 두 방향을 함께 요구하면

D전>0,D후<0⟺0.3<c<1.3.\begin{gathered}D_{\text{전}}>0,\quad D_{\text{후}}<0\\\Longleftrightarrow\quad0.3<c<1.3.\end{gathered}
추 누르기 전 D 누른 뒤 D
A 1.0 0
B 0.8 −0.2
C 0 −1.0

따라서 B를 골라요. A는 누른 뒤 중립이고 C는 누르기 전 중립이라 탈락해요. A의 추 부피를 빼먹으면 9−9.1=−0.1로 잘못 계산해 내려간다고 고르게 돼요. 추의 무게를 더할 때 밀어내는 물도 함께 더했는지 표시해 볼까요? 실제 봉지의 움직임·속도를 검증한 결과는 아니에요.

착안: Exploratorium, Condiment Diver. 공기 압축과 밀어낸 물·부력의 관계만 참고했어요. 봉지 자료·세 추·두 방향 선택은 자체 모형이며 원문 문장·사진·영상은 옮기지 않았어요.

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