부력과 중력을 이용한

잠수함의 잠수 원리

 

영화 [타이타닉]을 본 사람이라면 누구나 빙산에 부딪쳐서 가라앉는 배를 보며 안타까움을 금치 못했을 것이다. 그렇게 호화롭고 아름답던 배가 한 순간에 대서양 심해 아래로 가라앉음으로써 영원한 침묵을 하게 되다니…. 수면 위에서는 그렇게 위풍당당하던 배도 물 아래로 내려가면 별 수 없구나 하는 생각이 들지도 모른다. 그러나 모든 배의 운명이 타이타닉호와 같은 것은 아니다. 즉, 물 속으로 가라앉아도 그 기능과 생명력이 끝나지 않는 배도 있다. 바로 잠수함이 그것이다. 그렇다면 잠수함은 어떤 원리로 물 위에 떠 있기도 하고 바다 속으로 잠수할 수도 있는 것일까?

부력이란?

 

이것을 알기 위해서는 먼저 부력의 개념을 알아야 한다. 예를 들어 우리가 수영장에 있다고 생각해 보자. 일정한 크기의 밀폐봉지에 가벼운 모래가루를 채워서 물 속으로 넣어보자. 이 봉지는 바닥으로 가라앉을 수도 있고, 모래의 밀도에 따라 바닥으로 가라앉지도 않고 위쪽으로 떠오르지도 않으면서 수영장 중간 깊이쯤에 잠겨 있을 수 있다.

그림1: 부력의 양상

<그림1>에서 (가)와 같이 중간 깊이쯤에 잠겨 있다고 가정한다면, 이 봉지를 중간쯤에 떠 있게 하는 힘은 무엇일까? 그림 (가)에서 봉지가 가라앉도록 아래쪽으로 작용하는 힘은 봉지 속 공간 안에 채워져 있는 물질에 작용하는 중력이고, 봉지가 떠오르도록 위쪽으로 작용하는 힘은 봉지 주변의 물에 의해 봉지 안에 있는 물질에 가해지는 힘인 부력이다. 부력은 수면 아래로 내려감에 따라 증가하는 물의 압력으로부터 생기는 힘이다.

그림2: 부력의 원리

<그림 2>의 (가)와 같이 어떠한 이유로 물 속에 물이 없는 일정한 공간이 생긴다고 가정하자. 그 공간 주변의 물은 그 공간을 향해 힘을 가하게 된다. 모든 방향에서 비어 있는 이 공간을 향한 힘들을 합하면 수평의 힘들은 상쇄되고 <그림 2>의 (나)와 같이 수직의 힘만 남게 된다. 물 속에서의 수직의 힘은 물의 압력에 의해 생기는 힘이다. 물의 압력은 수면에서 아래로 내려갈수록 커지므로 힘 Fup의 크기가 힘 Fdown의 크기보다 크게 된다. 그러므로 최종적으로 남게 되는 힘은 힘 Fup와 힘 Fdown의 합력 F이고 이 힘F를 부력이라고 한다.

아르키메데스의 원리

 

어떤 물체의 전체 또는 일부분이 물 속에 잠기게 되면 잠긴 공간만큼의 물을 밀어내게 되고 그 밀어낸 물의 무게에 해당하는 크기의 부력이 생기게 되는데, 이를 아르키메데스 원리라고 한다. 그러므로 <그림 1>의 (가)는 봉지에 담긴 물질에 작용하는 중력과 부력이 힘의 평형을 이루고 있어서 중간 깊이에서 떠 있을 수 있게 되는 것이다. 그런데 <그림 1>의 (나)와 같이 봉지에 가벼운 모래가루를 빼내고 무거운 돌멩이로 채워서 물에 넣어 보면 이 봉지는 어떻게 될까? 아마도 봉지는 수영장 바닥으로 가라앉을 것이다. 이는 봉지의 부력보다 봉지 속에 채워진 물질의 무게가 더 커서 봉지가 아래로 가라앉기 때문이다.

이번에는 같은 봉지에 가벼운 스티로폼을 채워보자. 이때 작용하는 부력은 <그림 1>의 (가), (나)의 크기와 같을 것이다. 왜냐하면 봉지의 부피가 같으므로 밀려나간 물의 부피도 같아서 부력도 같기 때문이다. 스티로폼을 채운 봉지는 돌멩이나 모래가루를 담은 비닐봉지보다 무게가 훨씬 가벼울 것이다. 그래서 부력에 비해 작아진 무게 때문에 이 비닐봉지를 위쪽으로 떠오르게 하는 힘이 더 커지게 된다. 만약 무게가 너무 가볍게 되면 <그림 1>의 (다)처럼 봉지 일부가 물 밖으로 나오게 될 것이다. 이때는 봉지의 가라앉은 부분만큼의 부피가 부력의 크기를 결정하므로 물 밖으로 나온 부분을 제외하고 물 속에 잠겨 있는 부분만큼의 부력이 생기게 된다. 그러므로 완전히 잠겼을 때의 부력보다 부력이 줄어들게 되어 줄어든 무게와 평형을 이루게 된다.

 

중력과 부력을 이용한 잠수함의 잠수 원리

 

이와 같은 원리를 이용하여 잠수함도 부력을 조절하면서 잠수와 부상을 자유롭게 할 수 있게 된다. 잠수함은 배의 앞부분과 뒷부분에 있는 주부력 탱크에 바닷물을 채워서 잠수함의 중량을 조절하고 압축공기를 빼내거나 불어 넣으면서 부력을 조절하여 잠수와 부상을 한다.잠수함이 바다 속으로 잠수해야 하는 경우, 주부력 탱크에 바닷물을 많이 채워서 잠수함의 무게를 늘리면 잠수함이 바다 속에서 차지하는 부피에 해당하는 부력의 크기보다 바다 아래쪽으로 작용하는 중력이 더 커져서 잠수함은 가라앉게 된다.

주부력 탱크 안의 물을 잠수함 밖으로 내보내면 잠수함의 무게가 줄어 부력이 중력보다 커지므로 잠수함이 바다 위쪽으로 떠오른다. <출처: NGD>

잠수함이 물 속에 잠겨 있다가 떠올라야 할 경우에는 주부력 탱크에 압축 공기를 불어넣어 탱크 안의 바닷물을 잠수함 밖으로 배수시킨다. 그러면 잠수함의 무게가 줄어들어 부력이 중력보다 커지게 되며 잠수함은 바다 위쪽으로 떠오르게 되는 것이다. 이렇게 부력이 중력보다 커서 잠수함이 부상하는 상태가 되는 것을 ‘양성 부력’이라고 한다. 또한 중력이 부력보다 커서 잠수함이 가라앉게 되는 상태를 ‘음성 부력’이라 하고, 중력과 부력이 같은 상태를 중성부력이라고 한다.

또한 바다의 해수 염분이 장소에 따라 조금씩 다르기 때문에 잠수함의 부력도 변하게 되는데, 잠수함이 염분이 높은 해수 쪽으로 이동할 때는 상대적으로 잠수함의 부력이 커져서 양성 부력이 되기 때문에 잠수함은 떠오르게 된다. 이것은 바닷물에서 염류의 농도 때문에 해수의 밀도가 커져서 민물에서보다 몸이 더 잘 떠오르는 것과 같은 원리이다. 반대로, 잠수함이 염분이 낮은 해수 쪽으로 이동할 때는 상대적으로 잠수함의 부력이 작아져서 음성 부력이 되고 잠수함은 가라앉으려고 한다. 이와 같이 잠수함은 바닷물의 밀도에 따른 중력과 부력의 원리들을 적절히 이용하여 잠수와 부상을 자유자재로 할 수 있는 것이다.

 

  참고문헌: [일반물리학], 고려대학교 서강대학교 물리학과 공역, 범한서적, 1998; 최성규, [재미있는 잠수함 이야기], 양서각, 2000; 안병구, [잠수함 그 하고 싶은 이야기들], 집문당, 2008