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연재 기사

물속에서의 무게와 압력

어린이과학동아 2005.09.0117호

여러분은 수영장에 갔을 때, 몸이 물에 뜨는 것을 경험해 본 적이 있나요? 또 무거운 쇠로 만들어진 배나 잠수함은 어떻게 물 위를 떠다닐 수 있는 걸까요? 같은 물체라도 물 속과 공기 중에서의 무게는 서로 달라지는데 이는 물 속에서 부력이라는 힘을 받기 때문입니다. 여러 가지 실험과 재미있는 예를 통해서 부력에 대해 알아봐요.

부력은 무엇인가요?

물속에 들어가면 왠지 몸이 가벼워지는 것을 느낀적이 있을것이다. 또 물속에서 쉽게 들어올린 돌이 물밖에서는 더 무겁게 느껴진다. 분명 같은 돌인데 말이다. 여기서 힘이 덜 들도록 도와준 것은 바로 물이다.

물속에서는 중력과 반대 방향인 위쪽으로 향하는 힘이 생기는데, 이 힘을‘부력’이라고 한다. 부력은 물에 뜨려는 힘이라고 생각하면 된다. 물속에 잠긴 물체에 작용하는 부력은 물체 윗면과 아랫면에서의 압력 차이 때문에 생긴다.

물에 잠긴 물체에는 사방으로 물의 압력이 작용한다. 그런데 물체의 옆면에서의 압력은 방향이 반대이고 크기가 서로 같아서 그 효과가 없어진다. 반면에 물체 아랫면에서의 압력은 물체 윗면에서의 압력보다 크므로 결국 위쪽 방향으로 힘이 작용한다. 이 힘이 부력이다.

물속에서 물체에 작용하는 부력이 물체의 무게와 같아지면 물체는 떠있게 된다. 그러나 물체의 무게가 부력보다 더 크면 그 물체는 물속으로 가라앉는다. 물이 가득차 있는 그릇속에 돌덩어리를 넣으면 돌의 부피 만큼 물이 밖으로 넘쳐 흐른다.

이 성질을 이용하여 모양이 일정하지 않은 물체의 부피를 구할수있다. 즉, 물속에 완전히 잠긴 물체는 자신의 부피와 같은 부피의 물로 대체되는 것이다.


부력 실험실

[무게가 어떻게 변할까?] 10kg인 바위를 물 속에 살짝 잠기게 했더니 무게가 6kg으로 줄어들었다고 한다. 이 바위를 더 깊이 집어넣으면 어떻게 될까?

더 많은 양의 물이 바위를 누르기 때문에 무게가 더무거워지거나, 깊이 들어가면서 부력이 커지기 때문에 더 가벼워진다고 생각하기 쉽다. 그러나 물 속에 잠겨 있는 바위의 무게는 깊이에 관계없이 일정하다.

실험을 통해서 우리는 공기 중에서 물체를 들 때보다 물 속에서 들 때가 더 가볍다는 것을 알 수 있다. 물 속에서는 마치 물체가 붕 뜨는 듯 한 느낌을 받게 되는데 이는 물 속에
들어온 물체의 무게만큼 밀려나간 물이 물체를 떠오르게 하기 때문이다.

부력은 항상 물체가 밀어 낸 물의 무게와 같다. 문제에서 바위에 작용하는 부력은 4kg에 해당하는 힘이다.

[누가 더 물에 잘 뜰까?] 뚱뚱한 사람과 마른 사람 중에 누가 더 잘 뜰까? 뚱뚱한 사람은 무게가 많이 나가기 때문에 가라앉고 마른 사람은 가벼우니까 뜰 거라고 생각하기 쉽다.

그러나 정답은 그 반대다. 일반적으로 사람의 몸은 밀도가 물보다 작아서 물에 뜬다. 그런데 마른 사람보다 체지방이 많은 뚱뚱한 사람은 물에 훨씬 잘 뜬다.

체지방은 기름과 마찬가지로 물보다 밀도가 작기 때문이다.


생활 속 부력의 발견

[잠수함의 원리는 바로 부력!] 무거운 잠수함은 어떻게 물 속에 가라앉았다가 다시 떠 오를 수 있을까? 비밀은 바로 잠수함 내부에 있는 커다란 부력탱크.

잠수함을 물 위에 가만히 떠 있게 하려면 부력탱크 안의 공기를 빼내고 물을 조금 채워 잠수함 전체의 밀도를 물과 거의 비슷하게 조절해 주면 된다.

또 부력탱크 안에 남아 있는 공기를 더 빼내고 물을채우면 잠수함은 아래로 가라앉는다. 부력탱크에 물이 채워지면서 밀도가 커지기 때문이다. 다시 물위로 떠오르려면 부력탱크의 물을 펌프로 퍼내고 공기가 채워지도록 하면 된다.

[빙산의 일각?!] 보기만 해도 엄청나게 무거워 보이는 빙산은 어떻게 바닷물에 떠 있을까? 겨울철 물이 담긴 유리병을 밖에 두면 깨져있는 것을 본 적이 있을 것이다.

물이 얼면서 부피가 커지기 때문이다. 얼음은 물보다 밀도가 작아서 빙산은 바닷물에 뜨는 것이다.

또한 빙산의 89%는 물에 잠기고 단지 11%만이 떠올라 우리 눈에 보이는데 이 때문에‘빙산의 일각’이라는 말이 생겼다. 즉 보이는 부분에 비해 보이지 않는 부분이 어마 어마하게 클 때 쓰는 표현이다.

[물고기의 부레] 대부분의 물고기는 일정한 깊이에서 살고 있기 때문에 몸에 작용하는 압력은 거의 변하지 않는다. 그러나 먹이를 구하기 위해 수면 가까이로 헤엄쳐야 하는 물고기는 몸에 작용하는 압력의 변화를 견뎌 내야 한다.

물고기는 잠수함과 마찬가지로 물 속에서 자유자재로 뜨거나 가라앉기 위해서 몸의 부피를 변화시켜 부력을 조절한다. 물고기의 몸 속에는 부레라고 하는 공기주머니가 있는데, 이 공기주머니가 커지면 물고기의 부피도 커지면서 떠오르게 된다.

우리 몸도 마찬가지로 숨을 들이마셔 몸의 부피를 크게 만들면 부력이 커져서 물에 잘 뜨게 된다.

[자격루의 과학] 자격루는 자동으로 종과 징, 북을 쳐서 시간을 알려 주는 물시계다.

1434년(세종 16년)에 장영실과 이천 등이 제작했는데 물을 내보내는 물통인 파수호와 물을 받는 물받이통인 수수호로 이루어져 있다.

파수호에서 흘러 내려오는 물이 수수호에 고이면서 부력에 의해 눈금이 있는 살대가 떠오른다.

이때 살대의 위치에너지가 운동에너지로 바뀌며 종과 북, 징을 쳐서 시간을 알려 준다. 자격루는 바로 물의 부력을 이용해 과학적으로 설계된 것이다.

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