물에서 몸이 뜨는 것처럼 부력이 존재한다는데…물체와 유체의 밀도 차이를 이용해 원심분리 기술 개발
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지면S10
과학 이야기
과학과 놀자 (25) 부력의 여러 가지 모습
중학교 교육과정에는 물질이 상변화(相變化: 고체 액체 기체 등 물질 상태의 변화)를 해도 물질 자체는 변하지 않는다는 것을 확인하는 탐구활동이 제시돼 있다. 10년 전께 어느 중학교 교과서에 고체인 드라이아이스를 풍선에 넣고 저울로 무게를 측정한 뒤 기화해 풍선이 부푼 상태에서 무게를 다시 재 질량 차이가 없음을 확인하는 실험이 있었다. 마침 교생실습 수업을 참관하고 있었는데, 이 실험을 하던 6조 학생들이 드라이아이스의 승화 전과 후에 질량 차이가 있었음에도 측정 오차로 여기고 하나같이 질량 변화가 없다고 답했다. 하지만 실제 저울로 측정하면 <그림1>과 같이 드라이아이스가 기화해 풍선이 팽창하면서 저울의 수치는 점차 줄어든다. 이런 현상은 질량이 일정한 드라이아이스 풍선의 부피가 늘어나면서 부력이 커져 생기는 것으로, 다행히도 지금은 그 어느 교과서에서도 이 탐구 실험을 발견할 수 없다.
유체가 받는 중력에 의한 압력 차 vs 물체와 유체의 밀도 차
부력은 일상에서 늘 경험하고 편하게 사용하는 개념인데, 초등학교 교육과정에서 용어는 도입되지만 중·고등학교 교육과정에서는 개념을 학습하는 과정이 없다. 교육과정 밖의 문서를 참고하면 부력은 다음과 같이 정의된다. 첫 번째로 물체가 유체 속에 있을 때 유체가 받는 중력의 영향으로 물체 위와 아래에서 작용하는 압력의 차(ΔΡ=ρgh)가 존재하고, 그 차이만큼 물체가 위로 떠받쳐지는 힘을 부력이라 한다(그림2 왼쪽). 두 번째로 물체가 유체 속에 있을 때 물체의 부피만큼 유체가 그 공간에 존재하지 못하는데, 그렇게 물체에 의해 대체된 유체의 무게를 부력이라고 한다(그림2 오른쪽).유체가 받는 중력에 의한 압력 차 개념을 물이 아니라 대기 중의 공기에 적용할 수도 있을 것이다. 예를 들면 <그림1>의 실험에서 드라이아이스 풍선 크기를 10㎝ 정도로 본다면 공기층 10㎝ 차이를 두고 위와 아래에 기압 차가 있다는 것이다. 그런데 정말 그런가 하는 의문이 든다. 화학에서 기체의 압력은 분자의 충돌수에 비례한다고 배웠는데, 그러면 10㎝ 위와 아래의 분자 충돌수가 다르다는 말인가? 금세 잘 믿어지지 않는다. 그런데 <그림1>의 실험 결과를 보면 분명히 부력이 작용했음을 확인할 수 있고, 그렇다면 10㎝ 위와 아래에 압력 차가 있다는 것 아닌가! 얼핏 보기에 드러난 불일치는 어떻게 해소할지 이 글을 읽는 독자도 함께 고민해보자.
저울을 0점 조절해도 부력 때문에 완전한 보정은 어려워
일상생활에서 늘 접하고 쉽게 이해할 수 있는 부력이었는데, 갑자기 매우 복잡한 개념이 돼버렸다. 부력의 개념을 정의하고 바라보는 관점도 한 가지가 아님을 알게 됐다. 중력, 압력 차, 밀도 차, 기압, 저울의 사용 등 다양한 개념과 상황에 연결되는 관통 개념이라는 것을 새삼 확인하게 된다.