배가 물위에 뜨는 원리/부력의 원리/아르키메데스의 원리

 

 

 

 

배가 물위에 뜨는 원리/부력의 원리/아르키메데스의 원리

 

 

자료출처:인터넷

 

 

바다 위에 떠 있는 커다란 철판으로 만들어진 배를 보면서 '어떻게 저 큰 배가 물 속으로 가라앉지 않고 떠 있을까?' 라고 한 번쯤 생각해 본 적이 있을 것입니다. 이제 그 궁금증을 풀어보기로 합시다.

여기에 있는 탐구학습물은 어떻게 무거운 배가 물위에 뜨고, 그 무게를 유지하는가를 알아보는 것입니다.어떤 물체가 물 속에 잠겨 있으면 윗면에서는 아래쪽으로 수압이 작용하고, 아랫면에서는 위쪽으로 수압이 작용하며 좌우 양면에서도 수압이 서로 반대방향으로 작용합니다. 이 때 아랫면에서 위쪽으로 작용하는 수압이 윗면에서 아래쪽 작용하는 수압보다 크고 이와 같이 물체 주위에 작용하는 모든 수압을 합한 힘이 위쪽으로 작용하는 부력이 됩니다. 이 부력의 크기는 그 물체와 같은 부피의 물의 무게와 같고, 방향은 중력과 반대방향이 됩니다. 다시 말하면 부력은 깊이에 따른 수압의 차이 때문에 생기는 것으로 물체의 부피가 클수록 커지며, 물보다는 바닷물에서 더 크고, 바닷물보다는 수은 속에서 더 큽니다. 오른쪽에 있는 탐구학습물은 아르키메데스의 원리를 우리가 직접 눈으로 관찰해 볼 수 있는 것입니다.

아르키메데스는 밀도라는 개념을 우리에게 가르쳐주신 분입니다.
어느 날 아르키메데스는 순금과 혼합된 금은 어떠한 차이가 있는가를 밝혀 보려고 힘써오다 목욕탕에 들어갔을 때 물 속에 잠긴 부피만큼의 물의 양이 밖으로 흘러나온다는 것을 깨달았습니다. 그래서 무게와 부피의 관계 속에서 밀도라는 것을 알아낸 것입니다.

그럼 실험을 통해 아르키메데스의 원리가 맞는 것인지 알아봅시다. 두 개의 왕관이 서로 평형상태를 유지하고 있습니다. 이 두 개의 왕관이 물에 들어갔을 때는 어떻게 될까요? 만약 두 개의 왕관의 부피가 같다면 같은 부력을 받아 평형상태를 유지할 것입니다. 그러나 순금의 무게가 다르면 왕관의 부피가 다를 것이고 따라서 물 속에서 받는 부력이 다르기 때문에 평행이 깨지는 것을 볼 수 있습니다.

배는 부력에 의해서 떠 있게 된다.


이런 부력은 고대 그리스 학자 아르키메데스에 의해 발견 되었는 데, 다음과 같은 일화가 전해져 내려오고 있습니다.
 "은은 금보다 무게가 가볍기 때문에 예를 들어 똑같이 1kg의 무게가 나가도록 하려면 금보다 은이 더 많은 양(부피)이 필요하다. 왕관과 같은 무게의 순금 덩어리를 준비하여 물 그릇에 담아서 넘쳐나는 물의 양을 비교하면 두 개의 부피가 같은지 혹은 다른지를 알 수 있는 것이다. "
아주 먼 옛날 그리스의 왕 헤론은 순금으로 된 왕관을 만들게 하였고, 황금 왕관을 자랑스럽게 생각하고 있었습니다. 그런데, 얼마 후 그 왕관은 순금이 아니라는 소문이 돌았고 왕은 몹시 화를 냈습니다. 그래서 당시 유명한 수학자이자 물리학자인 아르키메데스를 불러 왕관이 순금인지 아닌지, 그리고 만약 불순물이 섞여 있다면 순금의 양은 얼마인지 알아내라고 하였습니다.

왕에게 약속한 날짜는 다가왔지만, 아르키메데스는 아무리 머리를 짜내도 좋은 생각을 떠올릴 수가 없었습니다. 아르키메데스는 머리를 식힐 겸해서 공중목욕탕에 갔습니다. 아르키메데스가 욕조안에 몸을 담그자 더운 물이 넘쳐 흘렀습니다. 순간, 아르키메데스는 "바로 이거야!(유레카~!)"하고 벌거벗은 채로 목욕탕에서 뛰어나와 집에까지 달려갔습니다. 벌거벗고 달리는 아르키메데스를 본 사람들은 아르키메데스가 미쳤다고 생각을 했지요.

다음날, 아르키메데스는 왕에게 왕관과 같은 무게의 순금덩어리를 만들어 달라고 했습니다. 그리고 왕관과 순금덩어리를 번갈아 물속에 넣어 보았습니다. 그런데, 넘친 물의 양은 같지 않았고 결국 왕관은 순금이 아니라는 것을 밝혀 냈습니다. 만약 왕관이 순금으로만 만들어졌다면 넘친 물의 양이 같았겠지요. 더군다나 아르키메데스는 왕관에 들어가 있는 순금의 양까지도 정확히 계산을 해냈습니다.

아르키메데스가 발견한 것은 '물체를 물 속에 넣으면 그 물체와 같은 부피의 물의 무게만큼 가벼워진다'라는 부력의 원리였습니다.
이 부력의 원리를 '아르키메데스의 원리'라고도 합니다 

이 원리는 배가 물에 뜨는 것에도 그대로 적용됩니다. 이때 부력의 크기는 그 물체가 밀어낸 물의 무게와 같으며 물체가 잠긴 부분의 중심, 즉 부심(center of buoyancy)을 통하여 중력과 반대 방향으로 작용하게 됩니다.. 만약 물체의 무게가 같은 부피의 물 무게보다 작다면 그 물체는 가라앉지 않는데, 이는 부력이 물체의 무게보다 크기 때문입니다. 이 원리를 이용하여 배가 밀어내는 물의 무게 - 배가 가라앉은 부분의 물의 무게 - 보다 배의 무게를 더 가볍게 만들면 배는 물에 뜰 수 있게 되는 것입니다.

배가 밀어낸 해수의 무게를 그 배의 배수량이라고 하며, 그 부피를 배수 용적이라고 합니다.

부력이외에 배 밑바닥의 경사진 면이 물 위를 미끄러질 때 양력을 받아 물에 뜨는 활주형선박(planning boat)과 비행기가 양력을 받아 하늘을 나는 것과 같은 이치로 수중날개에 의해 양력을 받아 물에 뜨는 수중익선(hydrofoil boat) 그리고 선체 바닥에서 압축공기를 분사하여 무게를 지지하는 공기부양선(air cushion vehicle) 등이 있습니다. 이런 선박들은 모두 소형 고속정들로서 주로 군용이나 여객용, 관광, 경주용으로 사용되고 있습니다.