기체나 액체속에서 떠오르는힘 부력(buoyancy)

부력

 

부력(buoyancy)

기체나 액체 속에 물체가 있을 때 그 물체에 압력이 작용하는데 그 작용이 중력과 반대로 작용해서 뜨려는 힘이 부력이다. 이때 부력이 중력보다 커야지만 물체가 뜰 수 있다. 불 위에 떠 있는 뗏목에 무거운 물건을 실었더니 가라앉았다 이것은 부력이 중력보다 작기 때문이다. 이때 뗏목에 테두리를 만들어 무거운 물체를 싣는다면 속이 비어있는 배가 물속에 가라앉은 만큼 부력을 일으킬 수 있게 되고 무거운 물체를 싣고도 가라앉지 않는다. 하늘에 떠 있는 열기구 역시 기체 속에서 부력이 생겨 뜨게 된 것이다. 

 

심해잠수정과 잠수함

깊은 물 속에서 활동할 수 있는 심해 잠수정은 자유롭게 물속으로 또는 물 위로 다닐 수가 있다. 그렇게 할 수 있는 이유는 공기나 물을 넣을 수 있는 밸러스트 탱크를 지녔기 때문이다. 밸러스트 탱크에 물을 채우면 무거워져서 가라앉고 압축공기를 이용해 물을 밀어내면 가벼워져서 뜬다. 이렇게 부력을 조절해서 심해에서도 자유로운 활동이 가능하다. 하지만 잠수함처럼 고속으로 움직일 필요가 없어 그 모양은 유선형이 아니다. 반면 잠수함은 유선형 모양으로 생겼고 잠수정처럼 밸러스트 탱크에 물과 공기의 양을 조절해서 잠수한다. 하지만 수평 키가 있어 수평 키로 선체를 아래로 향하게 하고 추진력을 이용하여 잠수한다. 양옆에 달린 수평 키를 조종하여 물의 흐름을 변화시킨다.

 

여객선

동력선들은 주변의 물과 공기를 다르면서 앞으로 나간다. 물이나 공기의 흐름을 바꿈으로 진행 방향을 바꿔 조종한다. 여객선이나 화물선 같은 큰 배는 프로펠러가 동력을 제공하고 키로 방향을 조정한다. 그리고 정박 시킬 때 배를 좌로, 우로 움직일수 있어야 하고, 폭풍을 만나면 배가 좌우로 흔들리는 것을 제어할 수 있다. 이렇게 제어가 가능한 것은 뱃머리 쪽의 제어장치와 스태빌라이저라는 안전장치가 있기 때문이다. 이 안전장치의 작동법은 프로펠러나 키의 작동법과 같다. 선체는 물의 저항을 줄이기 위해 매끄럽게 설계한다. 뱃머리를 제어하는 장치는 움푹 들어간 곳에서 물의 흐름을 방해하지 않는다. 또 안전장치는 사용하지 않을 때 안으로 넣어둘 수가 있다. 뱃머리 부분의 물에 잠기는 아랫부분에 둥글게 튀어나온 것이 있다. 이것은 배가 나갈 때 물을 가르며 앞에 생기는 파도를 줄이는 역할을 한다. 이렇게 하면 물의 저항이 줄어들어 속도를 더 낼 수 있고 추가로 연료도 절약할 수가 있다. 

 

윈드서핑과 요트

경주용 보트부터 윈드서핑까지, 돛을 이용한 모든 배는 바람의 힘을 이용해 바람의 방향과 상관없이 원하는 방향으로 배를 운전 할 수가 있다. 배에 달린 삼각형의 돛이 바람을 원하는 각도에서 받을 수 있기 때문이다. 맞바람만 아니라면 돛을 자유자재로 움직여 어느 방향으로든 조종이 가능하다. 하지만 돛단배는 간접적으로나마 맞바람을 받으면서도 지그재그로 맞바람을 피해 진로를 바꾸어 나아갈 수 있다. 이것은 돛이 바람과의 적당한 각도를 유지하면서 돛에 동력이 생기기 때문이다. 윈드서핑은 가장 단순한 형태의 움직이는 돛을 가진 배이다. 자유롭게 기울어지는 돛대에 돛이 달린 형태와 보드 아래에는 작은 킬(용골)이 붙어있다. 윈드서핑을 할 때는 휘어진 손잡이를 잡고 돛을 움직이며 바람을 이용한다. 돛은 보드의 엔진과 키의 역할 두 가지를 다 소화한다. 요트에는 보통 주 돛과 지브라는 두 개의 삼각돛이 있다. 바람 쪽으로 나아갈 때는 두 개의 돛이 가운데 길쭉한 홈을 내어 비행기 날개와 같은 구실을 한다. 홈 사이로 공기가 흐르면서 흡인력이 강력해진다. 이 힘은 추진력과 배를 기울이는 두 개의 힘으로 나누어진다. 선체와 킬에 미치는 물의 저항력으로 요트는 옆으로 가지 않는다. 요트는 선체 아래에 있는 키에 의해 조종되는데 선체 아래에서 물의 흐름에 변화를 주어 요트를 원하는 방향으로 운전하게 한다. 

 

 

열기구

열기구의 풍선처럼 커다란 부분이 기낭이다. 이 기낭은 많은 양의 공기를 품을 수 있도록 아주 크게 만든다. 이 기낭에 담긴 공기의 힘으로 밑에 달린 바스켓과 그 안에 탑승한 사람들을 뜨게 할 수 있다. 버너를 켜서 기낭 안의 공기를 데워주면 공기는 기낭을 팽창시키고 일부는 빠져나간다. 그러므로 기낭 안은 공기밀도가 낮아져 열기구는 위로 뜬다. 반대로 버너를 끄면 기낭 속 공기가 식어 수축하면서 바깥 공기가 기낭으로 들어와 무거워지면서 열기구는 아래로 내려온다. 더 빨리 내려오고 싶을 때는 기낭 꼭대기의 배기구를 열어주는데 이러면 기낭을 수축시켜서 부력을 줄여준다. 열기구는 특별한 추진 장치가 없어 바람의 방향대로 흐른다. 가끔 버너를 적당 세기로 켜주면서 기구의 일정한 높이를 유지해야 한다.