아르키메데스의 발견을 집에서 재현하다! 부력의 비밀 실험실（필름 케이스＋추 활용）

사이언스 트레이너 구와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.

목욕탕에 들어갔을 때 몸이 문득 가벼워지는 느낌을 받은 적이 있나요? 바로 그 감각을 만들어내는 것이 ‘부력’입니다. 수영장에서 사람이 물에 뜨는 것도, 거대한 쇳덩어리인 배가 바다에 떠 있는 것도 모두 같은 힘이 작용한 결과입니다.

그렇다면 부력은 어떤 원리로 결정될까요? “깊이 잠길수록 부력이 더 커질까?”, “무거운 물체일수록 부력도 더 클까?” 이런 단순하지만 날카로운 궁금증을 필름 케이스와 추라는 주변에서 쉽게 구할 수 있는 도구만으로 확인해 보는 실험을 해보았습니다. 특별한 장비 없이도 집이나 교실에서 쉽게 따라 할 수 있으니 끝까지 함께 살펴보세요.

◆준비물

필름 케이스(뚜껑 포함), 추(너트 등), 수조 또는 투명한 양동이, 용수철저울(2N 정도까지 측정 가능한 것), 끈(필름 케이스를 매달기 위한 용도)

참고로 요즘은 필름 케이스를 거의 볼 수 없지만 Amazon 등 온라인 쇼핑몰에서는 아직도 판매하고 있습니다. 누가 사는지는 잘 모르겠지만, 실험을 하는 입장에서는 정말 고마운 존재입니다.

필름 케이스(Amazon)

실험 원리

부력의 정체를 이해하는 핵심은 아주 간단한 ‘뺄셈’에 있습니다. 먼저 용수철저울로 추의 무게(중력)를 측정합니다. 그다음 추를 물속에 넣고, 물속에서 표시되는 값을 읽습니다. 공기 중에서의 무게와 물속에서의 무게를 비교하면, 그 차이가 바로 물이 추를 위로 밀어 올리는 힘, 즉 부력의 크기가 됩니다.

부력(N) = 공기 중의 무게(N) − 물속에서의 무게(N)

실험 방법

1. 공기 중에서 무게를 측정한다

용수철저울에 추가 들어 있는 필름 케이스를 매달고, 물에 넣기 전의 무게(중력)를 기록합니다. 이번에는 두 가지 조건으로 실험을 진행했습니다. 실험 1에서는 70g 추 2개와 35g 추 1개를 넣어 총 175g으로 실험했습니다.

실험 2에서는 70g 추 1개와 35g 추 1개를 넣어 총 105g으로 실험했습니다. 사용한 추는 원래 수압 측정용 추를 필름 케이스에 넣어 활용했습니다.

2. 물속에 담그면서 측정한다

먼저 추의 절반 정도만 물에 잠겼을 때 용수철저울의 값을 읽습니다.

그다음 추 전체를 물속에 완전히 넣고, 이때의 용수철저울 값을 확인합니다.

3. 더 깊은 곳까지 내려본다

필름 케이스가 완전히 물속에 잠긴 상태에서 더 깊은 곳까지 내려 용수철저울의 값을 측정합니다. 이번 실험에서 가장 주목해야 할 부분입니다. 깊은 바다까지 내려가면 부력이 더 커질까요? 아니면 그대로일까요?

4. 다른 무게의 추로도 반복한다

추의 무게를 바꾸어 1~3의 과정을 같은 방법으로 반복합니다. 서로 다른 무게를 비교하면 ‘무게와 부력의 관계’를 더욱 명확하게 확인할 수 있습니다.

결과 및 고찰

다음은 실험 결과입니다. 실제 측정에서는 필름 케이스 자체의 무게도 포함되므로 공기 중의 무게는 각각 1.8N과 1.1N이 되었습니다.

・부력의 크기는 물체의 무게와 관계없다

같은 크기의 필름 케이스라면 안에 넣은 추의 무게를 바꾸어도 부력은 거의 같았습니다. 흔히 “무거울수록 부력도 더 커질 것”이라고 생각하기 쉽지만 실제로는 그렇지 않습니다. 앞으로는 부피를 바꾼 실험도 함께 진행해 이 차이를 더욱 분명하게 비교해 보면 좋겠습니다.

・부력은 잠긴 깊이와는 관계없다(단, 물체 전체가 잠길 때까지는 변화한다)

필름 케이스가 일부만 물에 들어가 있을 때는 부력이 작고, 점점 더 잠길수록 부력이 커집니다. 하지만 물체 전체가 완전히 물속에 들어가면, 그 이후에는 아무리 더 깊이 내려가도 부력의 크기는 변하지 않았습니다.

이 원리는 심해를 헤엄치는 물고기나 깊은 바다를 항해하는 잠수함에도 그대로 적용됩니다. 잠수함이 떠오르거나 가라앉는 이유는 수심에 따라 부력이 달라져서가 아니라, 선체 안의 탱크에 물과 공기를 넣고 빼면서 자신의 부피와 무게를 조절하기 때문입니다. 이번 실험은 우리가 자주 접하는 탈것의 원리까지 이해할 수 있게 해 주는 흥미로운 결과라고 할 수 있습니다.

이 실험을 통해 “부력은 물속에 잠긴 부피에 비례한다”는 사실을 직접 체감할 수 있습니다. 핵심은 무게가 아니라 부피라는 점입니다. 눈에 보이지 않는 힘을 용수철저울이라는 도구를 통해 숫자로 확인할 수 있다는 것도 이 실험의 큰 매력입니다.

주변에서 쉽게 구할 수 있는 도구만으로도 부력의 본질을 깊이 이해할 수 있는 실험입니다. “왜 어떤 물체는 뜨고 어떤 물체는 가라앉을까?”라는 궁금증을 수업이나 자유탐구에서 한 단계 더 깊이 탐구해 보고 싶다면 꼭 활용해 보세요.

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