부력이란?(원리, 배가 물에 뜨는 원리, 수영)

안녕하세요. 여러분은 물을 생각하면 어떤 이미지가 머리 속에 그려지시나요? 저는 햇살이 환하게 비추고 있는 바다의 장관이 떠오르네요. 또한, 저는 수영하는 것을 좋아해서 물에 떠 있는 사람의 이미지도 머리 속에 그려지는데요. 오늘은 이러한 부력에 대해서 알아보는 시간을 가져보겠습니다.

출처 : pxhere

부력이란?

네이버 검색창에 부력에 대해 검색하면 다음과 같이 나옵니다. "기체나 액체 속에 있는 물체가 그 물체에 작용하는 압력에 의하여 중력(重力)에 반하여 위로 뜨려는 힘. 물체에 작용하는 부력이 중력보다 크면 뜬다." 한 마디로 정리하자면, 물에 뜨고자 하는 힘이라고 설명할 수 있겠네요. 이러한 부력의 원리에 대해서 더욱 자세히 알아봅시다.

 

물은 무겁다.

혹시 물의 무게를 느껴본 적이 있으신가요? 요즘 많은 사람이 생수를 사 먹어 가끔 직접 들어봐 2L짜리 6개 한 묶음이 12kg이나 해 나름 무거운 것은 알고 있을 것입니다. 겨우 생수 6병의 무게가 그 정도인데 넓은 바다의 무게는 상상하기조차 쉽지 않습니다. 하지만 물보다 무거운 것은 많이 있습니다.

 

같은 부피로 비교한다면 음료수 캔에 사용되는 알루미늄은 2.7배, 배의 주재료가 되는 철은 7.8배나 무겁습니다. 비중은 물을 기준으로 다른 물질과 비교하기 위해 만들어졌는데요. 네이버에 검색해보면, "물의 부피가 가장 큰 4℃의 체적을 기준 삼아 가로, 세로, 높이 1m의 정육면체 공간 속에 채워진 물의 무게를 1로 두고 그 공간에 다른 물질을 채워 넣었을 때 비율"을 비중이라 합니다.

 

따라서 알루미늄은 2.7, 철은 7.8의 비중을 갖는다고 이야기할 수 있습니다. 참고로 나무의 비중은 종류에 따라 다르겠지만 약 0.2정도 됩니다. 물의 비중인 1을 기준으로 이보다 작으면 물에 뜨고 높으면 물에 가라앉는데요. 배의 경우 바닷물의 비중인 1.025를 기준으로 합니다. 따라서 선박 제조 기술이 충분치 않았던 과거에는 아무런 기술이 없더라도 언제나 물 위에 뜨는 나무를 활용해 배를 만들었습니다.

 

배가 밀어낸 물의 무게 = 배의 무게

화물차의 적재중량을 재는 것은 고속도로 톨게이트에서 자주 볼 수 있으나 어디서 배의 무게를 잰다는 것은 들어본 적이 없을 것입니다. 배를 올려놓을 만한 큰 저울도 없을 뿐만 아니라 배의 무게를 잴 수 있는 더 간단한 방법이 있는데 그것은 바로 배수량입니다. 배를 가까이서 본다면 눈금이 그려져 있는 것을 볼 수 있는데 이는 밀려난 물의 부피를 나타내는 배수 용적을 표시한 것으로 배가 잠겨 물을 밀어낸 부피 * 바닷물의 비중을 하면 현재 배의 총무게를 구할 수 있습니다.

 

이것이 그 유명한 아르키메데스의 원리인데 물속에 왕관을 넣어 넘쳐흐른 물의 양은 동일한 무게의 금덩이를 넣어 넘쳐흐른 무게와 동일하다는 원리입니다. 결과적으로 물과 황금의 비중은 변하지 않아 그 부피도 동일할 테지만 만약 불순물이 섞여 있다고 하는데요. 더욱 많은 양의 물이 흐를 것입니다. 황금의 비중은 19.3으로 매우 무거운 편에 속하며 납(11.3), 은(10.5), 철(7.8)과 같은 금속을 섞었다면 부피가 커져 더 많은 물이 흘렀을 것입니다.

 

부력을 효과적으로 사용해서 수영하기

무게중심과 부력의 중심이 수직으로 정렬하게 되면 물에 가라앉지 않고 떠 있을 수 있습니다. 만약 중심이 수직으로 정렬되지 않으면 회전력이 발생하게 되며 이 회전력은 재활 치료 시 똑바로 서서 고개를 숙이는 자세를 유지하는 것을 도울 수 있습니다. 이러한 힘은 팔다리에 영향을 미치고 팔다리가 물을 통해 움직일 때마다 벡터의 연속체로 작용하게 됩니다.

 

가슴 깊이의 물에서 부력은 육상에서의 활동에 비해 뼈, 관절, 인대를 통해 전달되는 충격의 양을 감소시킵니다. 물속에서의 활동은 충격을 주는 요소가 없기 때문에 몸에서 받는 충격이 없습니다. 부력은 중력의 영향을 줄여줍니다. 물속에 가슴 높이까지 잠기도록 하면 체중이 약 75 - 90% 감소하게 됩니다.

 

평소 몸무게가 70kg인 사람은 깊은 물속에서는 무게가 약 7kg으로 줄어들게 됩니다. 이러한 이유로 비만이거나 부상당한 운동선수, 평소 근육통과 관절염을 앓고 있는 사람들, 뼈가 연약한 사람들, 그리고 임산부들은 물에서 비교적 쉽게 운동할 수 있습니다.부력에 의해 움직임의 범위가 증가하게 됩니다.

 

그래서 재활 운동으로 수영은 많이 활용되는 운동 중 하나입니다. 인대가 절단되어 수술한 사람들은 재활을 위해서 물 속에서 훈련을 받게되는데요. 이러한 것이 바로 부력을 이용해서 더 작아진 체중으로 인한 근육량을 증가시켜주는 운동인 것입니다. 이렇게 부력은 우리 생활에 알게 모르게 많이 잠입해 있는 것으로 생각되네요.

 

오늘은 부력에 대해서 알아보는 시간을 가졌습니다. 사실 우리 주변의 자연 현상을 인간이 말할 수 있는 단어로 말한 것이 바로 공학인데요. 어찌보면 너무나 자연스러운 것이지만, 이론적으로 가면 많은 분들이 머리를 아파하며 싫어하고는 합니다. 공학은 인위적인 것이 아니라, 자연적인 것입니다. 너무 머리 아파하지 마시고 차근차근 이해하시다보면 자연이 주는 재미있는 이야기들을 많이 알게 될거에요!