사람이 물에 가라 앉는 이유 - salam-i mul-e gala anjneun iyu

학습

13. 유레카를 외치며 아르키메데스가 발견한 힘, 부력의 원리는?

• 유레카를 외치며 아르키메데스가 발견한 힘, 부력의 원리는?

• 물에만 들어가면 자꾸 가라앉는 사람을 맥주병이라고 하지만, 사실 사람의 몸은 튜브가 없어도 물에 둥둥 떠있는게 맞죠.
  게다가 거대한 화물선, 유조선도 바다위에 떠다니구요. 이처럼 물체가 물에 뜨는 것은 부력이라는 힘에 의해 가능한 것인데요, 그렇다면 몇천톤의 배를 물 위에 띄우는 부력의 힘, 어떤 원리일까요?

• 부력이란?

  
  부력은 아르키메데스의 원리라고도 불리는데요, 일반적으로 물체는 중력과 반대방향의 힘을 받습니다.
  간단히 말해 부력이란 물체에 미치는 압력의 합이라고 할 수 있습니다.

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• 1. 무거운 배가 물에 뜨는 이유는?

• 물보다 가벼워야 물에 뜰 수 있다면, 쇳덩어리로 만들어진 무거운 배는 당연히 물에 뜰 수 없는 것일텐데 드넓은 바다에 배들이 수백, 수천척 돌아다닐 수 있는 이유는 뭘까요? 바로 배에는 위쪽으로 작용하는 부력이 배의 무게를 지탱하고 있기 때문입니다. 게다가 배의 모양은 물을 밀어내는 모양이기 때문에 위·아래 압력차이가 커져 부력 또한 커지게 되는 것이죠.
  예를 들자면, 쇳덩어리를 정육면체로 만들어 물에 넣으면 그대로 가라앉지만 같은 양의 쇳덩어리를 움푹 패인 배 모양으로 만들면 물에 뜨게 된다는 신기한 사실~

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• 2. 물장구를 치지 않아도 사람이 물에 뜨는 이유는?

• 수영을 못하는 사람을보고 물에 꼬르륵 가라앉는 맥주병에 비유하곤 하는데요, 아무리 맥주병이더라도 사실 사람은 가만히 있으면 물에 뜰 수 있답니다.
  이렇게 사람이 물에 뜨는 원리도 부력 때문인데요, 물이 사람을 위로 밀어내는 힘에 의해서 우리가 물로 떠오를 수 있는 것이죠.
  하지만 위에서도 말했듯이 사람의 근육, 지방, 골격의 구성비, 폐의 용적에 따라, 그리고 물체의 종류에 따라서 부력은 다르게 작용합니다.

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• 3. 사과가 물에 동동 뜨는 이유는?

• 복숭아나 사과같은 과일을 씻으려고 물에 담궈두면 과일들이 물에 동동 떠있는것을 볼 수 있습니다. 이 역시 부력때문인데요, 복숭아와 사과의 경우 껍질 안으로 물이 침투할 수 없고 젖지 않기 때문에 물에 가라앉지도 않습니다.
  고무공 역시 표면에 물이 붙지 않고 젖지 않는 것은 마찬가지구요. 하지만 토마토는 과일 안에 물이 들어있어 물보다 밀도가 높기 때문에 물에 넣으면 가라앉는걸 볼 수 있습니다! 같은 과일이라도 어떤건 뜨고 어떤건 가라앉고. 참 신기하죠?

• 위에서 알아본것처럼 부력은 물이 물체 안으로 들어갈 수 없어야 합니다. 또 물체에 물이 스며들어 물건의 무게가 물의 무게보다 무거우면 물에 뜰 수 없구요, 물건의 무게가 물보다 더 가벼우면 부력을 받아 물에 뜨게 되는 것이죠. 잔잔하고 평화로운 듯한 수면과는 달리, 물 속에서는 서로 밀당을 주고받으며 부력이 작용하고 있다는 사실! 이게 바로 자연의 신비로운 힘이라고 할 수 있지 않을까요?

※ 출처 : K-water

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   이것을 설명하기 위해선 약간의 용어설명이 필요한데요.

1. 부력 : 글자 그대로의 뜻은 '뜨는 힘'인데...액체에 잠긴 물체가 밀어내는 액체의 무게를 그 액체에서의 부력이라 합니다. 여기에서 액체란 것은 주로 담수(민물)와 해수(바닷물)가 있는데요. 같은 부피라면 담수보다는 해수가 무겁기 때문에 민물에서보다는 바닷물에서 몸이 잘 뜨게 됩니다. 뒤집어 말해서, 잠수를 하려면 민물보다는 바다에서 웨이트를 더 많이 차야 하고요.

   다시 말해, 부력이라는 것은 무게 대비 부피가 클수록 커지는데요. 같은 쇳덩어리라도 1kg짜리 쇠뭉치는 물에 가라앉지만 1천톤의 무게를 가진 대형선박은 물에 뜨는 이유는...전자는 무게에 비해 부피가 작기 때문에 밀어내는 물무게(=부력)보다 자체무게(중량)가 훨씬 무겁기 때문에 물에 가라앉는 것이고요. 후자는 무게는 전자보다 훨씬 무겁지만 밀어내는 물무게(=중량)이 자체무게(중량)을 압도하기 때문에 물에 뜨는 것입니다. 이런 대형선박들도 화물을 과적하거나 침수되어 선내에 물이 차게 되면 자체무게가 부력을 넘어서기 때문에 침몰하는 것입니다. 그래서, 배는 항상 적재중량을 지켜서 짐을 실어야 하고, 침수는 반드시 막아야 합니다.

2. 양성부력, 중성부력, 음성부력 : 부력은 그것이 뜨는 쪽으로 작용하는지(양성부력), 가라앉는 쪽으로 작용하는지(음성부력), 이도저도 아니게 현 수심을 유지하는지(중성부력)에 따라서 3가지로 나눕니다. 양성부력은 앞에서 설명한, 자체무게보다 부력이 큰 상태고요. 음성부력은 반대의 상태, 중성부력은 자체무게와 부력이 같은 상태입니다. 사람의 몸은 근육, 지방, 뼈, 물 등으로 이루어져 있는데 근육과 뼈는 음성부력, 지방은 양성부력인 편이고, 물은 당연히 물과 중성부력입니다. 그러다보니 신체조성 중 마르거나 근육이 많은 사람은 음성부력인 편이고요. 지방질인 사람은 양성부력인 편입니다. 하지만 기본적으로 인체는 중성부력에 가깝지요.

   여기에다 인체의 부력은 일정한 것이 아니라 수시로 변하는데요. 그 가장 큰 이유는 호흡 때문입니다. 허파 안으로 공기가 들락날락 하면서 숨을 들이쉬면 대체로 양성부력, 내쉬면 음성부력이 됩니다. 다시 말해, 사람의 부력은 기본적으로 중성부력에 가깝지만 개인에 따라 다소 차이가 있는데 본인의 부력을 측정하려면 홀딱 벗고 물에 들어가서 꼿꼿하게 서보면 됩니다. 이 때 수면과 머리끝이 거의 일치하면 중성부력 상태고요. 숨을 쉼에 따라 그 높이가 조금씩 오르락내리락 하는 것을 볼 수 있습니다.

    대부분의 사람들은 숨을 들이쉰 상태에서 숨을 멈추면 수면이 눈이나 입 높이까지 올라오고요. 숨을 푹 내쉬면 머리가 수면 아래로 푹 잠기게 됩니다. 반대로, 수면에 엎드리거나 누워보면 상체는 물에 뜨고 하체는 가라앉게 되는데요. 이것도 역시 허파가 있는 상체 쪽이 부력을 더 받기 때문입니다. 이런 원리를 이용해서, 생존수영을 할 때에는 수면에 누워서 호흡을 잔잔하게 하면 큰 힘 들이지 않고 수면에 꽤 오랫동안 떠 있을 수 있는 것입니다.  반대로, 수면에 선 자세로 허우적거리게 되면 숨을 들이쉴 땐 수면 위로 올라갔다가 내쉬면 수면 아래로 잠기는 것을 반복하다가 지쳐서 익수가 되면 허파나 소화기 속으로 물이 들어차면서 몸 전체가 음성부력이 되면서 물 속으로 가라앉는 것입니다.

   그러면 익사한 사람이 물에 다시 뜨는 이유는...사체가 부패하면서 사체 내에 발생한 가스가 허파나 내장 안에 들어차면서 양성부력이 되어 일시적으로 물에 뜨는 것입니다.

   보다 자세한 내용은 아래 글을 더 읽어보세요.

https://kin.naver.com/qna/detail.nhn?d1id=10&dirId=100201&docId=293314916&qb=67aA66Cl&enc=utf8&section=kin.qna&rank=4&search_sort=0&spq=1

https://kin.naver.com/qna/detail.nhn?d1id=10&dirId=100201&docId=199676422&qb=67aA66Cl&enc=utf8&section=kin.qna&rank=16&search_sort=0&spq=1

https://kin.naver.com/qna/detail.nhn?d1id=10&dirId=1005&docId=35826159&qb=67aA66Cl&enc=utf8&section=kin.qna&rank=22&search_sort=0&spq=1

2018.06.02.

봄 같지 않은 서늘한 4월이 지나고, 조금 따뜻해지나 싶더니 한낮에는 더위가 느껴질 정도다.

벌써 몇몇은 시원한 물속에 들어가 더위를 잊는 상상에 빠져 있기도 하겠지만, 물은 좋은데 수영을 하지 못해 고민을 시작하는 이들도 있을 것이다.

얼마 전 있었던 박태환 선수의 2007년 세계수영연맹(FINA) 선수권대회 남자 자유형 400m 금메달 소식은 우리 모두에게 큰 기쁨을 가져다 줬다. 그러면 박태환 선수는 어떻게 해서 수영을 잘하는 것일까? 아니, 나는 왜 수영은커녕 물에 뜨지도 못하는 것일까?

단순히 물에 뜨지 않는 것이 고민이라면 굳이 수영장을 가지 않고도 해결할 수 있다. 우선 몸이 물에 뜨는 원리에 대해 생각해 보자.

나무토막을 물에 넣으면 물 위에 뜨지만, 쇠못을 물에 넣으면 가라앉는다.

나무토막이 더 가볍기 때문이라고 흔히 생각하지만, 쇠못보다 훨씬 무거운 뗏목도 물에 뜬다. 바다 위를 떠다니는 유조선이나 군함이 가벼워서 뜨는 것이 아니다.

이를 설명하기 위해서는 가볍다 무겁다 하는 무게 개념보다는 좀더 정확한 비교 기준이 필요하다. 그것이 바로 ‘밀도’다. 밀도란 어떤 물질의 단위 부피만큼의 질량을 말한다. 즉 질량과 부피의 비로 정의된다. 하지만 ‘밀도’만으로 물에 뜰 수 있을지에 대한 답을 얻기는 어렵다.

이 문제에 대한 직접적인 답을 줄 수 있는 개념으로 ‘비중’이 있다. 비중은 ‘물체의 밀도’와 ‘그 물체와 같은 부피의 물의 밀도’의 비를 말하는데, 비중이 1보다 작아 뜨려고 하는 물체의 성질을 양성부력,1보다 커서 가라앉으려고 하는 성질을 음성부력이라 한다.1 정도의 값을 가져 뜨지도 가라앉지도 않으려는 성질을 중성부력이라고 한다. 물체의 비중을 통해 무게와 부력의 관계를 알고 뜨는지 가라앉는지를 알 수 있는 것이다.

단, 여기서 말하는 ‘물체’의 의미를 정확히 알 필요가 있다. 여기서 말하는 ‘물체’는 물속에서 차지하는 구조적인 모양까지도 포함하며 ‘물체와 같은 부피의 물의 무게’는 물속에서 물체의 모양이 차지하는 부피를 물로 채웠을 때 물의 무게를 뜻한다.

아르키메데스의 원리에 의하면, 물체는 물속에서 물체의 모양이 차지하는 부피에 해당하는 물의 무게만큼의 부력을 중력의 반대 방향으로 받는다. 부력은 물체의 비중값이 작을수록, 부피가 클수록 커져 물에 잘 뜰 수 있게 된다.

사람은 비중이 약 0.96 정도로 물보다 작아 물에 뜨게 된다. 사람의 경우 근육보다 지방의 비중이 더 작다. 때문에 근육질의 사람보다 지방이 많은 사람이 물에 뜨기 쉽다. 따라서 뚱뚱해야 잘 뜬다는 얘기는 틀린 말이 아니다.

수영을 할 때 엉덩이와 허벅지에 살이 많은 사람은 부력을 많이 받아 물에 수평하게 떠서 수영을 할 수 있지만, 상대적으로 엉덩이와 허벅지에 살이 적은 사람은 하체가 물속에 가라앉은 상태로 물장구를 쳐야 할 것이다.

하지만 이것이 수영 경기에서 시간을 줄이는 요인이 되지는 않는다.

박태환 선수의 엉덩이와 허벅지는 일반인들에 비해 커 보이지만, 그 힘은 위쪽 방향으로만 작용한다. 앞쪽 방향으로 나아가는 데 필요한 힘이 되지는 못하는 것이다.

여름철 수영장에서 잘 뜨기 위해서는 다이어트보다 몸집 불리기가 유리할 듯하다.

자, 여러분은 어떤 선택을 하실는지.

이세연 명덕고등학교 교사