일상 재료로 대발견! ‘부력’을 재미있게 배우는 알루미늄 포일 보트 실험
사이언스 트레이너 구와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
단 한 장의 알루미늄 포일 위에 수십 개의 구슬을 올려도 가라앉지 않는다고 하면, “정말?” 하고 의심부터 들지 않으시나요? 그런데 이 실험은 특별한 도구나 약품이 전혀 필요하지 않고, 교실에서 바로 재현할 수 있습니다. 이번에는 학생들의 “왜?”라는 호기심을 마음껏 자극할 수 있는, 간단하면서도 깊이 있는 ‘부력’ 실험을 소개해 보겠습니다.
알루미늄 포일 한 장이 가라앉지 않는 배가 된다
여러분은 ‘부력’을 수업할 때 어떤 실험을 하시나요? 아르키메데스의 원리를 설명하거나, 천칭을 이용해 부력을 측정하는 등 다양한 방법이 있겠지요. 이번에는 특별한 도구가 전혀 필요 없으면서도 학생들의 호기심을 자극하고, ‘부력’이라는 개념을 직접 체험하며 배울 수 있는 아주 간단하고 재미있는 실험을 소개합니다.
이름하여 ‘알루미늄 포일 보트 챌린지’입니다! 알루미늄 포일을 접고 구겨서 배를 만든 다음, 그 위에 구슬을 몇 개까지 올릴 수 있는지 겨루는 실험입니다. 얼핏 보면 간단한 만들기 놀이처럼 보이지만, 그 안에는 깊고 재미있는 과학 원리가 숨어 있습니다.
학생들은 “어떻게 하면 더 많이 띄울 수 있을까?”라는 질문을 스스로 만들고, 예상하고, 직접 실험하면서 교과서만으로는 얻기 어려운 확실한 배움을 경험할 수 있습니다. 수업의 도입에도, 정리 활동에도 활용할 수 있는 만능 실험입니다.
준비물
・알루미늄 포일 (폭 25cm 정도가 다루기 편합니다. 학생 한 명당 12.5cm×12.5cm 크기의 정사각형으로 잘라 나누어 줍니다.)
・구슬 (약 30개. 추의 역할로 사용합니다. 학생 한 명당 약 30개씩 준비합니다.)
이것은 세리아에서 구입한 것입니다.
・수조 (세로 200mm, 가로 315mm, 깊이 130mm 정도가 적당합니다. 가정용 밀폐용기 등으로 대신해도 됩니다.)
・물
・걸레, 수건
수업 진행 방법의 예
“가장 많은 구슬을 올릴 수 있는 배는 어떤 모양일까?”라고 학생들에게 질문하고, 먼저 예상해 보도록 합니다. 알루미늄 포일을 나누어 주고 12.5cm×12.5cm 크기의 정사각형으로 자르게 합니다. 교사가 미리 잘라 준비해 두어도 좋습니다.
수조에 물을 절반 정도 채우고, 만든 배를 물 위에 띄웁니다.
배 위에 구슬을 하나씩 조심스럽게 올리면서 몇 번째 구슬에서 배가 가라앉는지 기록하게 합니다.
가장 많은 구슬을 올릴 수 있었던 배는 어떤 모양이었는지 학생들끼리 결과를 공유하고 토론하게 합니다. 다양한 모양의 배가 만들어지기 때문에 상당히 재미있습니다.
이 실험의 재미있는 점은 최종적으로 가장 많은 구슬을 올릴 수 있는 배의 모양이 ‘가능한 한 납작하고, 물과 접하는 면적이 넓은 형태’가 된다는 것입니다.
부력의 정체는 ‘밀어낸 물의 무게’다
배가 물에 뜨는 것은 배에 작용하는 위쪽 방향의 힘, 즉 부력이 배와 구슬을 합친 전체 무게와 균형을 이루기 때문입니다. 그리고 이 부력의 크기는 물속에 잠긴 부분의 부피, 즉 ‘배가 밀어낸 물의 부피’와 같은 부피의 물이 가진 무게와 같습니다. 다시 말해, 더 많은 물을 밀어낼 수 있다면 그만큼 더 큰 부력이 작용하는 것입니다.
이것은 우리가 욕조에 몸을 담갔을 때 물의 수면이 올라가는 현상과 정확히 같은 원리입니다. 유명한 ‘아르키메데스가 목욕하다가 깨달음을 얻었다’는 이야기도 바로 이 ‘자신이 밀어낸 물의 양’을 깨달은 순간을 가리키는 일화로 알려져 있습니다.
알루미늄 포일 자체는 물보다 밀도가 훨씬 큰 금속이지만, 얇게 펼쳐 그릇처럼 만들고 안쪽에 공기가 들어갈 공간을 만들어 주면 이야기가 달라집니다. 배 전체의 부피가 커지고, 그만큼 더 많은 물을 밀어낼 수 있게 되는 것입니다.
사실 철로 만들어진 거대한 유조선이 바다에 떠 있을 수 있는 것도 완전히 같은 원리입니다. 철 자체는 물에 가라앉는 금속이지만, 배 모양으로 만들고 내부를 비워 공간을 만들면 배 전체의 부피가 커집니다. 그 결과 배는 그만큼 많은 물을 밀어내고, 그에 해당하는 큰 부력을 얻는 것입니다.
알루미늄 포일 보트는 말하자면 손바닥만 한 ‘유조선 모형’이었던 셈이지요.
여기에 더해 균형을 잡는 것도 매우 중요합니다. 예비 실험을 해 보니 세로로 길쭉한 배보다는 바닥이 넓고 납작한 배가 훨씬 잘 뜨는 것으로 나타났습니다. 이 역시 실제 배를 만드는 원리와 연결됩니다. 배의 바닥이 넓고 무게중심이 낮을수록 배가 조금 기울어져도 쉽게 뒤집히지 않고 안정적으로 떠 있을 수 있습니다.
구슬을 배의 가운데가 아니라 한쪽 가장자리에 몰아서 올리면 금세 균형을 잃고 가라앉는 것도 같은 이유 때문입니다.
이 실험을 통해 학생들은 ‘부력은 물속에 잠긴 부피에 비례한다’는 원리를 머리로만 이해하는 것이 아니라 직접 몸으로 체험하며 이해할 수 있습니다. 다음 과학 수업에서 학생들의 “왜?”라는 탐구심을 이끌어 내는 실험으로 꼭 활용해 보세요!
참고로 최고 기록은 65개라는 기록이 나왔습니다. 2025/09/01
참고 자료
트라이 사이언스 「알루미늄 보트」
http://www.kagakunosaiten.jp/convention/pdf/2019/062.pdf
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