시원한 계곡이나 워터파크에서 물놀이를 하는 것 만큼 좋은 피서는 없죠. 그래서 여름방학이면 친구나 가족들과 함께 물놀이를 가는데요. 이때 중요한 것이 바로 물놀이 안전입니다. 특히 수영이 익숙하지 않은 어린이는 반드시 구명조끼나 튜브를 가지고 놀아야 합니다. 안전요원들이 익사자를 구할 때에도 튜브 등을 이용하기도 하죠. 그런데 이러한 구명조끼나 튜브는 어떻게 우리가 물에 빠지지 않도록 도와줄까요? 그것은 구명조끼가 우리의 몸보다 더 잘 떠오르기 때문입니다. 그 원리는 무엇일까요.
원리 들여다보기 : 부력
몇 가지 실험을 통해서 부력에 대해 차근차근 이야기 해봅시다. 첫 번째 실험은 물속에서 공이 튀어오르는 실험이에요. 일단 작은 공과 큰 공 모두 물속에서 밖으로 튀어오르는 것을 볼 수 있는데요. 두 공 중에서도 큰 공이 더 많이 튀어오르는 것(사진 4)을 알 수 있습니다.
이처럼 물속에 들어간 물체가 물 밖으로 밀려나게 만드는 힘을 부력이라고 합니다. 부력이 생기는 이유는 물이 가하는 압력(수압) 때문인데요. 수압은 물속으로 깊게 들어갈수록 더 커지는 경향이 있어요. 물에 어떠한 물체를 넣으면 물체 위쪽에 가해지는 수압보다 물체 아래쪽에 가해지는 수압이 더 강하기 때문에 그 수압의 차이만큼 물체는 위로 힘을 받게 되는 것이죠. 결국 부력은 위쪽으로 작용하게 됩니다. 또한 물체의 부피가 커지면 물체 위와 아래의 수압 차이가 커지게 되므로 부력도 커지게 되는 거예요.
물속에 잠긴 공에는 어떤 힘이 작용하고 있을까요? 우선은 방금 이야기한 부력이고, 또 하나는 지구가 물체를 잡아당기는 중력입니다. 스티로폼 공의 경우에는 부력보다 중력(무게)이 작기 때문에 물 위로 튀어 오르게 됩니다. 그리고 큰 공은 작은 공에 비해 무게(중력)는 비슷하지만 크기(부피)는 많이 크기 때문에 더 큰 부력을 받게 되는 것이죠. 그래서 큰 스티로폼 공은 높이 튀어오르게 됩니다. 여러분이 물놀이를 할 때 작은 공은 힘을 주어 물속에 넣을 수 있지만 커다란 튜브를 물 속에 전부 집어넣기는 어렵죠? 이것은 부피가 클수록 부력이 커지기 때문에 생기는 현상이라고 할 수 있습니다.
여기서 한 가지만 더 이야기해 볼까요? 왜 수압이 생기고, 깊이가 깊어질수록 강해지는 걸까요? 그 비밀은 중력에 있습니다. 수압이라는 것은 물이 누르는 힘인데 지구가 물을 끌어당기기 때문에 물이 아래쪽으로 내려오려고 하는 것이죠. 그리고 깊은 곳으로 들어가면 지구의 중력을 받는 물이 많아지기 때문에 수압도 강해지는 것이구요. 그래서 부력은 물이 물체를 밖으로 밀어내는 힘이라고 이야기하기도 합니다.
결론적으로 이야기하면 물 위에 떠 있는 물체는 물에 작용하는 중력에 의해 만들어진 부력으로 떠 있는 것이라고 말할 수 있습니다. 그러면 여기까지 설명을 기본으로 나머지 실험에 대해 이야기 해봅시다.
두 번째 실험은 스티로폼 공을 고무줄로 수조 바닥에 연결한 뒤 관찰하는 실험인데요. 고무줄이 늘어난 길이를 통해서 스티로폼 공에 작용하는 부력의 크기를 비교해 볼 수 있어요. 실험을 해보면 큰 스티로폼 공에 연결된 고무줄이 더 길게 늘어난 것(사진 2-2)을 볼 수 있습니다. 위에서 설명한 내용처럼 부피가 큰 물체에 더 큰 부력이 작용하는 것을 보여주는 것이죠.
마지막 실험은 은박지 실험인데요. 잘 연습해 두었다가 친구들 앞에서 마술처럼 보여줄 수 있는 실험이에요. 물 밖에서 접은 은박지와 물속에서 접은 은박지를 비교하는 실험이에요. 실험을 해보았더니 물 밖에서 접은 은박지는 물에 뜨는지만 물 속에서 접은 은박지는 물 속에 가라앉는 것(사진 9)을 볼 수 있어요. 이것은 물 밖에서 접은 은박지는 그 사이에 공기가 들어가 있게 되고, 물 속에서 접은 은박지는 그 사이에 공기가 없이 물로 채워지게 됩니다. 그러면 부피가 비슷하더라도 무거운 물로 채워진 은박지가 상대적으로 무거워져 가라앉게 되는 것이죠. 여러번 해보고 친구들 앞에서 마술처럼 보여주면 재미있을 거에요.
이처럼 물체들이 갖는 무게에 비해 부력이 크면 물체는 물 위에 떠있게 되는 겁니다. 우리가 물놀이할 때 사용하는 구명조끼나 튜브도 같은 것이죠. 어린이들이 자기보다 훨씬 큰 튜브를 들고 가는 걸 보면 튜브가 크기에 비해 무게가 적다는 것을 잘 알 수 있습니다.
글=김동건(선린중 과학교사), 사진=장진영 기자
