부력
물속에 억지로 집어넣은 튜브가 손을 놓자마자 수면 위로 퐁 튀어 오르게 만드는 보이지 않는 손이에요.
정의 부력은 물이나 공기 같은 유체(흐를 수 있는 액체나 기체) 속에 들어간 물체가 위쪽으로 밀려 올라가는 힘이에요. 물속에서 무거운 물건을 들 때 공기 중보다 훨씬 가볍게 느껴지는 이유도 주변 유체가 물체를 위로 밀어 올려주고 있기 때문이에요.
목욕탕에서 튜브를 누르면 생기는 일
목욕탕 물속 깊숙이 고무공이나 빈 페트병을 밀어 넣어 본 적이 있나요? 손끝에 힘을 주어 누를수록 손바닥을 밀어 올리는 강한 힘이 느껴져요. 손을 떼는 순간 공은 순식간에 수면 밖으로 퐁 하고 튀어 올라요.
이때 물체를 위로 밀어 올리는 힘이 바로 부력이에요. 물속에 들어간 물체는 사방에서 물의 압력을 받게 돼요. 그런데 물은 깊이 들어갈수록 수압이 세지기 때문에 아래쪽에서 밀어 올리는 압력이 위쪽에서 누르는 압력보다 항상 더 커져요.
위아래의 압력 차이 때문에 결국 물체는 전체적으로 위로 들어 올려지는 힘을 받아요. 수영장에서 친구를 번쩍 안아 올릴 때 땅 위보다 훨씬 가볍게 느껴지는 것도 물이 아래에서 함께 들어 올려주고 있기 때문이에요.
이런 현상은 물속에서만 일어나는 게 아니에요. 공기 역시 흐르는 기체이기 때문에 공기 중에 떠 있는 풍선이나 우리 몸에도 언제나 눈에 보이지 않는 작은 부력이 작용하고 있답니다.
조금 더 정확히 말하면: 아르키메데스의 원리
욕조에 물을 가득 채우고 몸을 담그면 물이 욕조 밖으로 찰랑거리며 넘쳐흘러요. 물체가 물속으로 들어가려면 그 부피만큼 원래 그 자리를 차지하고 있던 물을 밖으로 밀어내야 하거든요.
고대 그리스의 수학자 아르키메데스는 바로 이 현상에서 위대한 과학적 규칙을 발견했어요. 물체가 받는 부력의 크기는 물체가 밀어낸 유체의 무게와 정확히 같다는 사실이에요. 이것을 물리학에서는 '아르키메데스의 원리'라고 불러요.
예를 들어 1리터 부피의 물체를 물속에 푹 담그면 물 1리터(약 1킬로그램)를 밀어내요. 그러면 물은 그 물체를 정확히 1킬로그램의 힘(약 9.8뉴턴)으로 위로 힘껏 떠받쳐 줘요.
결국 물체가 차지한 공간만큼 원래 있던 물이 밀려나면서 '내 자리를 내놓으라'며 위로 밀어 올리는 셈이에요. 밀어낸 물이 무거울수록 물체가 받는 부력도 정비례해서 커지게 돼요.
쇠로 만든 거대한 배는 왜 가라앉지 않을까요?
작은 쇠구슬이나 동전을 물에 던지면 바닥으로 곧장 가라앉아요. 그런데 쇠구슬보다 수만 배는 무거운 거대한 철제 여객선이나 컨테이너선은 어떻게 가라앉지 않고 물 위에 안전하게 떠 있을 수 있을까요?
비밀은 물체의 전체적인 모양과 밀도(물질이 빽빽하게 뭉쳐 있는 정도)에 있어요. 배 내부는 쇠로 꽉 차 있는 것이 아니라 대부분 텅 빈 공기 공간으로 설계되어 있어요. 배의 밑바닥을 넓고 오목한 그릇 모양으로 크게 만들어 엄청난 양의 물을 밀어낼 수 있는 구조를 갖춘 것이 핵심이에요.
쇠와 공기를 합친 배 전체의 평균 무게보다 배가 밀어낸 바닷물의 무게가 더 무거우면 배는 물 위로 둥실 떠올라요. 반대로 물체가 밀어낸 물의 무게가 물체 자체의 무게보다 가벼우면 물체는 바닥으로 가라앉게 돼요.
바닷속을 누비는 잠수함도 이 원리를 이용해요. 잠수함 내부에 있는 물탱크에 바닷물을 채우면 무거워져서 가라앉고, 압축공기로 바닷물을 밀어내면 무게가 가벼워져서(부력이 무게보다 커져서) 다시 수면 위로 유유히 떠오른답니다.
🤔 흔한 오해
무거운 물체는 무조건 가라앉고 가벼운 물체는 무조건 뜬다.
물에 뜨고 가라앉는 것은 무게 자체가 아니라 '부피 대비 무게(밀도)'와 밀어낸 유체의 양에 달려 있어요. 수만 톤짜리 쇠 배도 속을 비워 부피를 크게 만들면 물을 많이 밀어내어 쉽게 떠오릅니다.
🧺 일상에서 만나요
부력은 유체 속 물체가 밀어낸 유체의 무게만큼 위쪽으로 밀려 올라가는 힘이에요.