엄마, 배는 어떻게 물 위에 떠요?
부력의 원리
리원: 와~ 배 타고 바다를 보니 너무 좋아요~. 갈매기 안녕~~
엄마: 갈매기 안녕~~ 아이코, 팔찌를 떨어뜨렸네. ㅠㅠ.
리원: 저런... 그런데 엄마, 팔찌도 물에 가라앉는데 이렇게 무거운 배가 어떻게 물 위에 떠요?
엄마: 리원이가 물어볼 줄 알았다. 리원이는 수영할 때 물이 리원이를 누르는 것 같은 느낌 느껴봤어?
리원: 그렇...지요?
엄마: 물이나 공기 같은 액체나 기체는 물체의 사방에서 누르는 힘(압력)을 작용해. 리원이가 물 안에 잠수해서 가고 있다고 생각해보자. 그러면 리원이 배 아래에 있는 물은 위쪽으로 배를 누르고, 리원이 등 위에 있는 물은 아래쪽으로 등을 누르고, 리원이 머리 앞의 물은 머리를 누르고, 발바닥에 있는 물은 발바닥을 누르지.
<그림> 유체의 압력 작용 방향
<그림> 유체의 압력 작용 방향리원: 네, 그런데요?
엄마: 자, 돌을 물에다 넣으면 가라앉지?
리원: 네.
엄마: 왜 그럴까?
리원: 그거야... 돌이 무거우니까 지구가 당기는 힘에 의해서 가라앉는 거겠지요.
엄마: 그래. 그런데, 그 돌보다 무겁지만 비어있는 냄비를 물에다 띄우면 어떻게 될까?
리원: 그러고 보니 떠 있을 것 같네요~?
엄마: 맞아. 왜 그럴까?
리원: 음... 글쎄요?
엄마: 아까 엄마가 얘기했지? 물은 물체의 사방에서 압력을 준다고.
리원: 그럼 냄비 아래에 있는 물은 냄비 위로 힘을 주겠네요?
엄마: 그렇지~!!! 그런데 냄비 위에는 물이 있어 없어?
리원: 비었으면 없겠죠? 그래서 위에서 누르는 힘은 없다는 거네요?
엄마: 바로 그거야! 냄비의 무게, 즉 지구가 당기는 힘보다 물이 위로 미는 힘이 더 세면 그 냄비는 뜨게 되는 거지. 그게 바로 '뜰 부'자에 '힘 력'자를 써서 부력이라고 해.
리원: 아~~~ 그렇군요. 돌멩이는 위, 아래에 다 물이 있으니 서로 밀어서 별로 작용을 안 하게 되고...
엄마: 역시, 우리 리원이는 엄마 닮아서 똘똘해. 넓은 냄비가 잘 뜰까？ 아니면 좁은 냄비가 잘 뜰까?
리원: 글쎄요...? 아무래도 넓은 것이 더 잘 뜰 것 같은데요?
엄마: 그렇지. 물의 압력은 일정하지만 닿는 면적이 넓으면 그 압력을 받는 면적이 넓어서 더 큰 힘을 받게 돼. 즉, 부력이란 것은 물체의 부피에 영향을 받지.
리원: 아... 그렇군요. 그런 원리로 이 무거운 철로 만들어진 배가 뜬다는 거네요? 신기해요.
[보다 자세한 설명]
부력의 원리(아르키메데스의 원리)
아르키메데스는 우리가 잘 아는 '아르키메데스의 발견'을 발전시켜 ‘유체(물) 속에 담긴 물체는, 그 물체의 부피에 해당하는 유체(물)의 무게와 같은 힘을 중력의 반대방향으로 받는다(가벼워진다)‘라는 부력의 원리(아르키메데스의 원리)를 발견하게 된다.
물속에서 무거운 돌을 들어본 사람은 돌의 무게가 줄어드는 효과인 부력을 깨달을 수 있다. 강바닥의 둥근돌을 물속에서는 비교적 쉽게 들 수 있지만 물 밖에서는 훨씬 더 큰 힘이 필요한데 물속에서는 중력과는 반대 방향인 위쪽으로 향하는 힘이 작용하기 때문이다. 이러한 위 방향의 힘을 부력이라고 부르며 바로 깊이에 따라 증가하는 압력에 의한 힘이다.
즉, 물속에 있는 물체에는 그 물체가 밀어낸 물의 무게와 같은 크기의 힘이 위쪽으로 작용하게 되며, 이와 같이 위쪽으로 밀어 올리는 힘(부력)보다 그 물체에 작용하는 중력이 작을 때 그 물체는 물에 뜨게 되는 것이다.
배가 쇠붙이로 되어 있어도 배 안에는 공간이 많으므로, 배 전체의 무게보다 물속에 들어가 있는 부분의 부피가 받는 부력이 더 크기 때문에 배는 뜨게 되는 것이다.
<그림> 부력이 작용하는 방향