왜 배는 뜰까? ‘간이 수압 실험기’로 배우는 부력의 세계

과학 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.

수영장에서 깊이 잠수했을 때, 귀가 멍해지거나 몸이 꽉 조이는 듯한 느낌을 받아본 적 없으신가요? 바로 그것이 물체가 물체를 미는 힘, 즉 ‘수압(水圧)’입니다. 하지만 이 수압이라는 힘은 눈에 보이지 않잖아요. 교과서의 화살표만으로 이해하기는 의외로 어렵습니다. 그래서 이번에는 눈에 보이지 않는 수압을 ‘가시화’하고, 더 나아가 ‘부력’의 정체까지 파헤치는, 가성비 최고의 실험 도구를 소개해 드리고자 합니다.

저렴하고 효과 만점! ‘수압’을 눈으로 확인하는 비밀 병기

이번에 소개해 드릴 것은 과학실의 숨겨진 명품, 바로 ‘간이 수압 실험 장치‘입니다.

나리카(ナリカ)와 같은 과학 교재 사이트에도 나와 있지만, 구조는 정말 단순합니다. 투명한 플라스틱 원통형 용기 양쪽에 부드러운 고무 막이 붙어 있는 장치일 뿐입니다. ‘이게 다야?’라고 생각할 수도 있지만, 단순하기 때문에 오히려 자연의 법칙이 더 명확하게 보이는 법이죠.

사용법은 매우 간단합니다. 수조에 물을 채우고, 이 장치를 그 안에 천천히 담그기만 하면 됩니다.

물속에 넣으면 수압 때문에 양쪽의 고무 막이 꾸욱 눌려 안쪽으로 오목하게 들어갑니다. 이렇게 되면 ‘물속에 있는 물체에는 옆 방향에서도 힘이 작용한다’는 사실을 누구나 눈으로 확인할 수 있습니다.

여기서부터가 진짜! 회전을 통해 밝혀지는 ‘부력’의 정체

다음으로, 이제부터가 이 실험 장치의 진가를 발휘하는 순간입니다. 물속에서 이 원통형 용기를 휙 하고 90도 회전시켜 봅시다.

그러면 옆 방향뿐만 아니라 위아래 방향의 압력도 확인할 수 있게 됩니다.

이처럼 위아래로도 수압이 작용하며, 결과적으로 물속에서는 사방팔방에서 수압이 작용하고 있다는 것을 알 수 있습니다. 더 나아가, 위아래 고무 막이 오목하게 들어간 정도를 자세히 비교해 보세요. 위쪽 고무보다 아래쪽 고무가 더 많이 오목하게 들어간 것을 발견하실 겁니다.

이것은 수압이 ‘깊이’에 비례하여 커지기 때문입니다. 더 깊은 곳에 있는 아래 면이 더 강한 힘으로 눌리고 있는 것이죠. 이 현상으로부터 물리학의 중요한 법칙이 도출됩니다. 위에서 누르는 힘(약)과 아래에서 밀어 올리는 힘(강)을 합치면 어떻게 될까요? 네, 결과적으로 ‘위쪽 방향의 힘’이 남게 됩니다.

바로 이것이 ‘부력(浮力)’의 정체입니다. ‘부력 = 수압의 합력(合力)’. 이렇게 설명하면 중학교 1학년 학생들도 직관적으로 이해할 수 있게 됩니다. ‘왜 무거운 배가 물에 뜰까?’라는 커다란 의문도, 이 작은 실험 장치가 명쾌하게 해결해 줍니다.

문의 및 의뢰에 관하여

과학의 신기함과 재미를 더 가까이에서 느껴보세요! 집에서 할 수 있는 즐거운 과학 실험과 그 노하우를 알기 쉽게 정리했습니다. 다양하게 검색해 보세요! ・’과학의 네타장’ 내용이 책으로 출간되었습니다. 자세한 내용은 여기에서 확인하세요. ・운영자 쿠와코 켄에 대해서는 여기를 참조하세요. ・각종 의뢰 (집필, 강연, 실험 교실, TV 자문 및 출연 등)는 여기로 문의해 주세요. ・새로운 기사 업데이트 정보는 X(구 트위터)에서 제공 중입니다!

과학 네타 채널에서 실험 영상을 제공 중입니다!