물체가 물에 뜨는 것은 ‘부력’ 때문입니다. 부력은 물체가 물에 잠긴 부분과 같은 부피의 물 무게만큼 물체를 위로 밀어 올리는 힘을 말합니다. 즉 물체가 물 속으로 가라앉지 못하도록 방해하는 힘이라고도 할 수 있죠.
지구상의 모든 물체는 중력을 받습니다. 따라서 물 속에 잠겨 있는 물체는 중력과 부력을 동시에 받는데, 부력이 중력보다 크면 물에 뜨고 중력이 부력보다 크면 가라앉는 것이지요. 우리가 물에 뜨는 것은 체중보다 부력이 더 크기 때문입니다. 바닷물에서 우리 몸이 더 잘 뜨는 까닭은 바닷물에는 소금이 녹아 있기 때문입니다. 바닷물은 녹아 있는 소금의 무게만큼 더 무겁기 때문에 부력도 크게 작용합니다.
실험해 봅시다. 3개의 같은 컵에 똑같은 양의 물을 붓고 소금의 양을 달리 녹여 각기 농도가 다른 소금물을 만드세요. 그런 다음 달걀을 넣으면 농도가 진한 소금물에서 달걀이 더 잘 뜨는 것을 확인할 수 있습니다. 바닷물에서 우리 몸이 더 잘 뜨는 것도 같은 이치랍니다.
아라비아 반도 북서 쪽에 있는 사해는 물이 짜기로 유명합니다. 보통 바닷물보다 소금이 5배 이상 많아 생물이 살 수 없어서 ‘사해(죽음의 바다)’란 이름이 붙었지요. 사해에선 몸이 저절로 둥둥 뜨기 때문에 바다에 누워 책도 볼 수 있다고 하네요.
부력에 대해 정리해 봅시다.
♣ 부력이란 무엇인가?
물 속의 어떤 물체는 자신이 밀어낸 물의 양(부피) 만큼의 부력을 받는다.
어떤 물체가 자신의 무게보다 더많은 물을 밀어내개 되면 이 물체는 뜨게된다.
또 적게 밀어내면 가라 앉으며, 같은 양의 물을 밀어내면 가라앉지도 뜨지도않는다.
♣ 부력의 크기는 어떻게 결정될까요 ?
부력은 물에 잠긴 물체의 부피만큼 작용합니다.
(예) 물이 가득 찬 컵에 달걀을 넣으면 달걀의 부피만큼 물이 흘러 넘쳐요. 그 흘러 넘친 물의 무게만큼의 힘이 달걀을 위로 떠받치게 되는데, 그 힘을 부력이라고 하죠.
그러므로 달걀이 물 속에서는 부력만큼 가벼워지는 것이죠.
물론 달걀의 무게가 부력보다 작으면 뜨지만, 부력보다 크면 자연히 가라앉겠죠. 보통 물에서는 달걀의 무게가 부력보다 크기 때문에 달걀은 가라앉는다.
♣ 그런데 같은 양의 물과 소금물 중에서 어느 쪽이 무거울까요?
당연한 것이지만 소금물이 물에 녹아 있는 소금의 무게만큼 무겁겠죠.
그러므로 소금물과 보통 물에 달걀을 넣으면, 달걀이 밀어 낸 소금물의 양과 물의 양과 같지만, 소금물이 무겁기 때문에 소금물 속의 달걀이 받는 부력이 더 큽니다.
소금을 많이 넣을수록 부력은 점점 커지는데, 소금을 충분히 넣으면 부력이 달걀의 무게보다 커져 달걀이 뜨게 됩니다.
잠수함의 원리는?
잠수함이 수중에서 정지하기 위해서는 잠수함의 부력과 중력이 균형을 이루어야 하며, 수면으로 떠오르기 위해서는 부력이 중력보다 커야 한다.
잠수함의 옆면은 이중으로 되어 있는데 바깥쪽과 안쪽 벽 사이에 있는 탱크에 물을 넣거나 빼내는 방법을 사용하는 것이다.
잠수함을 가라앉힐 때는 탱크의 밑부분에 있는 문을 열어 바닷물이 들어오도록 하는데 이때 탱크 안에 있던 공기는 배기구를 통해 밖으로 빠져나간다. 따라서 잠수함의 무게는 무거워지고 자연히 물 속으로 잠기게 되는 것이다. 반대로 떠오를 때는 강력한 펌프로 탱크 속의 물을 밖으로 배출해 부력을 높인다. 만약 펌프로 물을 배출할 수 없을 만큼 수압이 높으면 어떻게 될까요? 당연히 잠수함은 떠오를 수 없게 됩니다. 따라서 잠수함들이 잠행할 수 있는 깊이에는 한계가 있다.
잠수함은 물위에서는 디이젤 기관으로 움직이나, 물 속에서는 축전지로 가기 때문에 오래 갈 수 없다. 그러나 원자력으로 움직이는 원자력 잠수함은 한 달 이상을 물 속으로 다닐 수 있다.