부력(buoyancy)

한자를 직역하면 뜨는 힘인데 간단하게 우리 지구에서 중력의 반대 방향으로 작용하는 힘이라고 할 수 있겠습니다. 아마도 고등학교 시절에 이미 배웠을 개념이지만, 근래 들어 이런 '뜨는 힘'에 관심이 가게 되어서 나름대로 정리할 겸 글을 올려봅니다.

자연에는 이미 존재하고 있었겠지만, 그것을 발견한 관점에서 보면 기원전 아르키메데스의 그 유명한 '유레카' 사건으로부터 '부력'의 존재가 발견되었다고 할 수 있습니다. 당시 아르키메데스는 일명 순금과 불순물이 첨가된 금을 판별해야 하는 문제에 빠졌는데, 두 금은 모두 무게가 같았고 유관으로 판별이 어려운 상황이었습니다. 이렇게 고민고민하다가...(사람이 고민에 빠지면 평소에 안보이는게 보이나 봅니다.) 요즘으로 치면 흔히 욕탕에서 물을 받아 놓고 몸을 담그다가, 물이 넘치는 것을 보고 (제가 아르키메데스였다면 아마 지나쳤을 것 같네요....ㅎㅎ) '부력'이라는 개념에 대한 깨달음을 얻게 됩니다.

즉, 당연한 사실이겠지만 욕조에 가득 찬 물은 내가 물 속에서 차지하는 부피만큼 넘치게 됩니다. 결국 물 속에 들어있는 나는, 내가 물 속에 차지한 만큼의 부피에 해당하는 물의 무게 만큼의 위로 받는 힘을 받게 됩니다. (자연은 신비롭네요.. 자신이 원래 차지하고 있던 영역을 다시 차지하려는 물의 노력?이 느껴집니다...) 이해를 돕기 위해 다름 그림을 보겠습니다.

두 금덩이 또는 물체의 질량이 m1, m2이고 서로 같다(m1=m2)고 한다면, 일반적으로 두 금덩이를 저울에 올려놓으면 중력가속도는 g로 일정하기 때문에, 평형이 이루어 집니다. 즉, 둘의 무게는 같아 판별할 수가 없습니다.

하지만, 물속에서는 물체가 차지하는 물의 부피 만큼의 힘이 위로 올리므로, 아래의 파란색 화살표가 나타내는 바와 같은 중력의 반대 방향의 힘이 작용하게 됩니다.

만약, 두 금덩의 부피가 서로 달라 V1 > V2 라면, 물의 밀도(rho=질량/부피)에 각각의 부피 만큼의 질량의 무게(rho*V*g)가 부력으로 작용하여, 결국 부피가 큰 물체가 큰 부력을 받게 되어 물에서는 더 가볍게 됩니다. 그 결과 물에서는 부피가 작은 물체 쪽으로 저울이 기울어 지게 됩니다.

이런 식으로 두 물체를 판별할 수 있게 되네요.. 자연의 원리를 골똘히 궁리하면서 발견한 아르키메데스.. 참 한편으로 대단하다는 생각이 드네요.

물론 공기도 유체이기 때문에 부력이 작용한다고 할 수 있지만, 공기의 밀도 자체가 워낙 작기 때문에 저런 금덩이의 경우에는 그 영향을 무시할 수 있습니다. 다만, 열기구와 같이 무게 대비 부피의 효율을 극대화?한 장치를 이용하면 기체 중에서도 무게 대비 부력을 크~~게 받기 때문에 뜰 수가 있습니다.

개인적으로 저는 아직 수영을 활발하게 하지는 못하여 스폰지 판과 같은 보조 도구를 이용하기도 하는데, 일반적으로 많이 사용하는 튜브를 보면, 무게는 매우 가볍지만 속에 공기를 채워 부피를 크게 하는 구조로 되어 있어 튜브를 착용하고 물에 들어가면 무게는 거의 증가하지 않지만 물의 부력을 크게 받을 수가 있어 쉽게 물에 뜰 수 있게 됩니다. 배도 마찬가지 원리입니다. 이와는 반대로 물의 밀도 또는 비중이 매우 커서 일반적인 물보다 큰 부력이 작용하여 쉽게 물에 뜨는 경우도 있는데 대표적으로 사해!가 이에 해당한다고 할 수 있습니다. ㅎ

자연은 스스로 그러하다고 해서 자연이라고는 하지만, 이런 원리가 숨겨져 있어 우리가 부력의 혜택을 누리고 살게되네요.. 아무튼 이만 글을 줄이며, 새삼 신비롭다고 생각됩니다..