KISTI의 과학향기

하교길에 현민이는 옆집에 사는 정현이를 만났다. 정현이는 현민이에게 사진 한 장을 보여주며 자랑하기 시작했다.
“현민아! 이거 봐라!”
“뭔데? 사진 아냐?”
“응. 나 지난 주말에 엄마, 아빠랑 바닷가 갔었거든.”
“근데 이건 뭐야? 배? 아니 잠수함 같은데?”
“맞아. 현민이 니가 보는 눈이 있구나. 잠수함 맞어. 나 그거 탔었다!”
“정말? 어땠어?”
“물론 끝내줬지! 얼마나 재밌었다구.”
“치! 지금 약올리는 거야?”
“약올리긴.. 그냥 자랑하는 거지!”
“너 정말..좋아, 그럼 너 배가 어떻게 물이 뜨는지 알어?”
“뭐? 배가 물에 어떻게 뜨냐니? 당연히 배는 물에 떠야지!”
“그런 생각 해 본 적 없어? 배는 무거운 쇠들로 만들어졌는데, 그렇게 무거운 게 어떻게 물에 뜰까? 하는 생각 말야.”
“글쎄..생각해 본 적이 없었는데, 듣고 보니까 그렇네. 굉장히 큰 배들도 많던데, 그런 건 얼마나 무겁겠어? 그런데도 물 위에 잘만 떠있네? 그럼 현민인 넌 어떻게 배가 떠있는지 알아?”

정현이가 의문을 표하자 현민이가 기다렸다는 듯이 설명을 시작한다.
“물론이지. 그건 부력 때문이야. 밀도가 높은 물질이 가라앉고 낮은 물질이 떠오르는 건 알지? 물보다 밀도가 낮으면 물에 뜨고, 높으면 물에 가라앉지. 쇠를 배 형태로 만들면 공기까지 포함하게 되어 부피가 커지니까 밀도가 작아지거든. 물보다 밀도가 낮아지니 물에 떠있을 수 있게 되는 거지.”
“그렇구나. 그럼 현민아! 잠수함은 어떻게 물 속에 가라앉았다 떠올랐다 하는 거지? 공기상자를 붙였다 뗐다 하는 건가?”
“비슷해. 잠수함은 그런 상자에 바닷물을 넣었다 뺐다 하면서 부력을 조정하는 거야. 그 상자를 밸러스트 탱크라고 하는데, 잠수할 때는 이 탱크에 바닷물을 넣고, 수면으로 떠오를 때는 압축공기로 탱크에 든 바닷물을 배출하면서 올라오는 거지. 잠수부들도 마찬가지야. 물 속에 가라앉기 위해서 보통 납으로 된 무거운 추를 단 벨트를 찬대. 그리고 올라올 때는 공기를 넣을 수 있는 조끼같은 걸 이용하는 거구. 이리 와. 더 쉽게 알 수 있는 걸 보여주지.”

[실험방법]
1. 준비물 : PET병 1개, 작은 풍선, 빨대(구부러지는 부분이 있는 것), 철사, 컵
2. 작은 풍선에 물을 조금 넣고 병 속에 넣는다(PET병 입구가 좁으므로 조심스럽게 밀어 넣는다.) PET병에 물을 가득 넣고, 마개를 단단히 막은 후 PET병의 중간 부분을 양손을 사용하여 세게 누르면서 풍선 속의 공기의 양이 어떻게 변하는지 관찰한다.
3. 빨대를 구부린 후 4-5cm 정도의 길이로 잘라내고, 빨대 아래 부분을 철사로 여러 번 감은 뒤 물이 담긴 컵 속에 넣어본다.
4. 빨대가 물에 간신히 뜰 정도로 철사의 감는 정도를 조정한다.
5. 페트병에 물을 가득 채운 뒤 빨대 잠수부를 넣고 뚜껑을 단단하게 막는다. 페트병을 손으로 누르면 잠수부가 가라앉고, 손을 놓으면 떠오른다.

* 오래 놔두면 물 속에 기포가 생기면서 반응이 생기지 않는 경우가 있다. 이럴 때는 병뚜껑을 열어 기포가 나가도록 해준다.

“풍선 속의 공기 양이 변하는 게 보이지?”
“정말 그러네. 병을 누르니까 공기가 줄어들어.”
“PET병을 누르면 병속의 압력이 높아지는데, 그 압력이 물을 통해서 빨대에 전달되는 거야. 그러면 그 속에 있던 공기가 눌려서 부피가 작아지는 거야.”
“그렇구나. 그럼 이 빨대는 어떻게 오르락내리락 하는 거야? 정말 신기하다!”
“같은 원리지. 빨대 속에도 공기가 들어있는데, PET병을 눌러서 그 공기 부피가 작아지면 부력은 어떻게 되겠니?”
“줄어들겠지.”
“맞아. 부력이 줄어드니까 가라앉게 되는 거야. 손을 놓으면 다시 원상태로 돌아가면서 떠오르는 거구. 그런데 주의할 점은 페트병 속에 물을 가득 채워야 해. 물이 덜 들어가면 비어있는 부분의 공기가 압축이 되서 수면만 올라가지 빨대는 꼼짝도 안 해.”
“그렇겠네. 그런데 현민아! 넌 어떻게 이런 걸 잘 아니?”
“내가 비록 잠수함은 못 타봤지만 과학상식이 좀 풍부하잖아! 그러게 놀러 갔다 온 거 자랑만 하지 말고 상식을 좀 쌓으라니까~”
“그러게. 진작 이런 걸 알았으면 잠수함 탈 때 자세히 살펴보고 더 재미있었을 텐데.”
“그러니까 다음부턴 어디를 갈 때는 이 형님을 모시고 가! 내가 알아서 다 설명해 줄 테니까 말이야. 알았어?”
“으이그, 알았다! 알았어!” (글 : 과학향기 편집부)


※ 실제 잠수함에서는 떠오를 때 미리 저장해 놓은 압축공기를 사용한다. 압축 공기를 모두 사용한 잠수함은 떠오를 수 없으므로 일정 기간마다 압축공기를 교환해 준다.