어떻게 쇠로 만든 배가 물에 뜰까? (feat. 아르키메데스 원리)

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유튜브 : https://www.youtube.com/watch?v=kk0tEDKGDpI&t=1s

 
 
바다 위를 유유히 떠다니는 거대한 배들이 신기하지 않으신가요? 쇠로 만들어진 데다 엄청난 짐까지 가득 실었는데도 가라앉지 않는 모습은 정말 놀라움 그 자체입니다. 일상에서 보는 동전이나 쇠 구슬은 물에 넣자마자 '풍덩' 하고 가라앉는데, 어떻게 배는 물에 떠 있을 수 있을까요? 그 비밀은 바로 부력에 있습니다. 오늘은 이 부력의 원리에 대해 알아보겠습니다.
 
 

⛴️ 배의 역사와 부력의 만남

인류가 처음 만든 배는 나무로 만든 배였습니다. 기원전 8000년경 경남 창녕에서 발견된 나무배가 인류가 발견한 가장 오래된 배로 추정되죠. 그 후 1606년 이덕흥이 최초의 철갑선 형태를 띤 배인 귀갑선을 제안했는데, 이것이 바로 우리가 모두 알고 있는 거북선입니다. 가장 오래된 목선과 최초의 철갑선이 모두 우리나라에 있다는 사실, 정말 신기하네요.

현재 발견된 가장 오래된 목선과 세계 최초로 만들어진 철선

 
 
1818년 영국에서는 모든 부분이 철로 만들어진 최초의 철선 여객선 '발칸호'가 등장했고, 1837년에는 최초의 철제 군함 '네메시스호'를 건조했습니다. 네메시스호는 길이 56m, 폭 8.8m, 적하중량 660톤으로, 두 대의 증기엔진을 탑재하고 있었습니다. 이 배는 1차 아편전쟁에서 첫 모습을 드러내어 영국과 중국이 팽팽하게 맞서던 전쟁을 순식간에 영국의 승리로 이끌었으며, 동서양 패권의 전환점이 되는 중요한 역사적 의미를 남겼습니다.
 
 

최초의 철제 군함 네메시스호, 아편전쟁에 참여해 단숨에 전쟁을 종결

 

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⛴️'유레카'를 외치게 만든 부력의 발견

 
쇠로 만든 배가 물에 뜨는 원리를 이해하려면 부력이라는 개념을 알아야 합니다. 이 부력의 개념을 처음 발견한 사람은 고대 그리스의 위대한 과학자, 아르키메데스입니다.
아르키메데스의 유명한 일화는 한 번쯤 들어보셨을 거예요. 어느 날 왕이 순금으로 만든 왕관에 불순물이 섞였는지 확인해달라고 했을 때, 그는 고민에 빠졌습니다. 그러다 목욕탕에 들어가 몸을 담그는 순간, 넘쳐 흐르는 물을 보고 번뜩이는 아이디어가 떠올라 "유레카!"를 외치며 벌거벗은 채로 뛰쳐나갔다는 이야기는 정말 유명하죠.
 
이 실험을 통해 아르키메데스는 어떤 물체가 물에 잠겼을 때 흘러나온 물의 부피만큼 부력을 가진다는 원리를 발견했습니다. 순수한 금의 밀도는 19.4인데, 만약 다른 물질이 섞여 있다면 이 밀도가 달라지겠죠. 따라서 같은 질량의 순금을 물에 넣었을 때 흘러넘친 물의 양과 왕관을 넣었을 때 흘러넘친 물의 양이 같으면 순금이고, 다르면 불순물이 섞인 것이라는 결론을 내릴 수 있습니다.
 
 

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⛴️부력과 밀도의 관계

부력은 밀도와 매우 밀접한 관계가 있습니다. 4°C 물 1밀리리터는 대략 1g으로, 물의 밀도는 1이라고 할 수 있습니다.

밀도의 정의

 
 
예를 들어, 부피가 100밀리리터인 쇠구슬 1이 120g이라면 밀도는 1.2가 됩니다. 반면 부피는 같지만 무게가 80g인 쇠구슬 2의 밀도는 0.8이 되죠. 물의 밀도와 비교했을 때, 밀도가 더 큰 쇠구슬 1은 가라앉고, 밀도가 더 작은 쇠구슬 2는 물에 뜹니다. 즉, 물체의 밀도가 물의 밀도보다 크면 가라앉고, 작으면 뜨는 것입니다.
 

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바닷물에서 더 잘 뜨는 것도 같은 원리입니다. 바닷물에는 소금 성분이 녹아 있어 밀도가 1.02~1.03으로 민물보다 높습니다. 따라서 같은 부피의 물을 밀어내더라도 바닷물이 더 무겁고, 그만큼 더 큰 부력이 작용해 물에 더 잘 뜨게 되는 것이죠. 실제로 이스라엘의 **사해(Dead Sea)**는 염도가 매우 높아 사람의 몸이 저절로 둥둥 뜨는 신기한 현상을 경험할 수 있습니다.
 

바닷물에서 더 잘뜨는 이유는 바닷물의 밀도가 너 높기 때문입니다.

 
 

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⛴️쇠로 만든 배가 물에 뜨는 원리

 
그럼 쇠로 만든 배는 어떻게 그 많은 짐을 싣고도 물에 떠 있을 수 있을까요? 글의 초입부에 적은 것과 같이, 물에 뜨기 위해서는 물보다 밀도가 작아야 합니다. 그런데 배가 쇠로 만들어졌다면 밀도가 높을 텐데 어떻게 가능할까요?
그 비밀은 바로 배의 구조에 있습니다. 배는 밑 부분이 우리가 생각하는 것보다 훨씬 크고 넓게 설계되어 있습니다. 이러한 구조 덕분에 배가 물에 잠겼을 때 최대한 많은 양의 물을 밀어내어 더 큰 부력을 받게 됩니다. 결국 배의 무게와 실은 짐의 무게를 합한 총 무게보다 배가 밀어낸 물의 무게가 더 크면, 부력으로 인해 배는 물 위에 뜨게 됩니다.
 

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재미있는 사실은, 배를 만들 때 흘수선이라는 것을 고려한다는 점입니다. 배 옆면에 그려진 선들을 본 적이 있나요? 이것이 바로 흘수선인데, 배가 얼마나 물에 잠겨야 하는지를 나타내는 기준선입니다. 짐을 많이 실을수록 배는 더 깊이 가라앉아 흘수선이 낮아지게 되죠. 만약 짐의 양이 너무 많아 흘수선을 넘어가면 배가 위험해질 수 있기 때문에, 배에 짐을 실을 때는 이 흘수선을 항상 염두에 둡니다.
 

 
이번 글에서는 부력과 밀도의 관계를 통해 어떤 물체는 물에 뜨고 어떤 물체는 물에 가라앉는지 알아봤습니다. 다음 시간에는 우리 생활에서 부력이 어떻게 관찰되는지 더 자세히 알아보겠습니다.