배는 어떻게 물에 뜰까?..부력의 발견

일러스트/곽유민 기자

선박 건조가 완료되면 진수식을 하는데 새로 만든 선박을 처음으로 물로 옮기는 행사다. 최대 수십만톤에 달하는 무거운 배를 물에 띄우는 것인데 어떻게 가라앉지 않고 물에 뜨는 것일까?

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"유레카!" 수천년 전 부력 원리 알아낸 아르키메데스

시칠리아섬의 시라쿠사에서 태어난 아르키메데스는 왕의 부탁을 받았다. 새로운 금 왕관에 다른 물질이 섞여있다는 소문이 돌아 순금인지 아닌지를 밝혀달라는 것이었는데 당시 기술로는 성분을 정확하게 알아내는 건 불가능했다. 그러다 목욕을 하러 탕에 들어갔는데 물이 넘쳐 흐르는 것을 보고는 방법을 찾아냈는데 너무 기쁜 나머지 옷도 입지 않은채 "유레카(알아냈다)"를 외치며 집으려 달려갔다.

방법은 바로 물이 가득 찬 통에 물체를 넣었을 때 흘러넘친 물의 부피가 그 물체의 부피와 같다는 점을 이용해 재는 것이었다. 결국 아르키메데스는 왕관의 무게를 잴 수 있었고 금관은 순금이 아닌 다른 물질이 섞여있다는 점을 알아냈다.

이 원리는 정확하게 얘기하면 기체 또는 액체로 이뤄진 유체에 물체가 잠기면 그 물체가 밀어낸 무게만큼 '부력(浮力)'이 위로 작용한다는 뜻이다. 쉽게 말해 물에 뜨려는 힘인데 배는 배가 밀어낸 물의 무게가 배의 무게와 같아질 때까지만 가라앉는다. 이 아르키메데스가 발견한 부력의 원리로 오늘날 무거운 배가 뜰 수 있게 됐다.

배처럼 오목한 모양의 물체는 형태로 인해 자체 부피보다 커다란 부피의 물을 밀어낼 수 있어 커다란 부력을 받고 물에 뜬다. 그러나 물체가 기울어지거나 물이 새는 등의 이유로 오목한 부분에 물이 차오르게 되면 부력은 급격히 감소해 가라앉게 된다.

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사람도 물에 뜰까?

튜브를 끼고 물에 들어가면 우리 몸이 쉽게 뜬다. 그러다 튜브에서 나오게 되면 몸이 가라앉는 걸 느끼게 되는데 무게에 비해 부피가 큰 튜브의 부력을 받다가 부피가 줄어들면서 부력도 약해지고 뜨지 못하는 것이다. 그러다가 숨을 크게 들이마셔 배와 폐가 부풀어 오르면 부피는 커졌기 때문에 물에 뜰 수 있게 된다.

사람은 인체 주요성분인 뼈, 근육, 지방 등의 비율에 따라 부력이 결정된다. 예를 들어 지방이 물보다 밀도가 작으므로 지방이 많을수록 물에 잘 뜨게 된다.

또 밀도가 큰 유체는 밀도가 작은 유체에 비해 물체에 훨씬 큰 부력을 준다. 염분의 농도가 큰 사해에서 몸이 잘 뜨는 것, 수은과 같은 액체에는 동전도 뜨는 현상 등을 예로 들 수 있다.

곽도훈 기자 kwakd@e-focus.co.kr