무거운 배가 물에 뜨는 이유 : 핵심은 부력입니다

무거운 배가 물에 뜨는 이유 : 핵심은 부력에 있습니다. 커다란 배는 쇠로 만들어집니다. 많은 짐도 싣습니다. 그런데도 물 위에 떠 있을 수 있습니다.

반면 작은 쇳덩어리는 물에 넣으면 가라앉습니다. 이 차이는 단순히 배 안이 비어 있기 때문만은 아닙니다.

아르키메데스의 원리에 따르면 물체가 받는 부력은 밀어낸 물의 무게와 같습니다. 배가 물 위에 떠서 정지해 있다면 부력과 배 전체의 무게가 같습니다.

무거운 배가 물에 뜨는 이유는 부력 때문입니다

배가 물에 들어가면 선체 일부가 물속에 잠깁니다. 이 과정에서 배는 물을 밀어냅니다.

배는 밀어낸 물의 무게와 같은 크기의 부력을 받습니다. 이 힘이 배를 위쪽으로 떠받칩니다.

떠서 정지한 배에서는 부력과 배 전체의 무게가 같습니다. 따라서 중요한 것은 단순히 배가 무거운지 가벼운지가 아닙니다.

배의 무게를 지탱할 만큼 충분한 부력을 받을 수 있는지가 중요합니다.

쇳덩어리는 가라앉는데 쇠로 만든 배는 왜 뜰까?

같은 질량의 재료라도 형태가 달라지면 차지하는 공간이 달라집니다. 그에 따라 밀어낼 수 있는 물의 양도 달라집니다.

같은 질량의 쇳덩어리는 상대적으로 작은 공간을 차지합니다. 그래서 물속에서 밀어내는 물의 양도 제한적입니다.

반면 쇠를 속이 빈 큰 선체로 만들면 훨씬 큰 공간을 차지할 수 있습니다. 배는 완전히 잠기기 전에 더 많은 물을 밀어낼 수 있습니다.

그 결과 배의 무게를 지탱할 만큼 큰 부력을 받을 수 있습니다.

배 안의 빈 공간과 평균 밀도

배가 뜬다고 해서 쇠 자체의 밀도가 달라지는 것은 아닙니다.

달라지는 것은 선체와 내부의 빈 공간까지 포함한 배 전체의 평균 밀도입니다.

속이 빈 선체는 질량에 비해 배 전체의 부피를 크게 만듭니다. 따라서 완성된 배 전체를 하나의 물체로 보면 평균 밀도를 낮출 수 있습니다.

즉, 쇠 자체가 물보다 가벼워지는 것은 아닙니다. 속이 빈 큰 선체가 충분한 물을 밀어낼 수 있게 되는 것입니다.

그 결과 배는 필요한 부력을 받을 수 있습니다.

부력은 어떻게 배를 위로 밀어 올릴까?

부력은 물속의 압력 차이와 관련이 있습니다.

물속에서는 깊은 곳일수록 정수압이 커집니다. 따라서 물체 아래쪽은 위쪽보다 더 큰 압력을 받습니다.

이 압력 차이로 인해 물체에는 전체적으로 위쪽을 향하는 힘이 생깁니다. 이 힘을 부력이라고 합니다.

아르키메데스의 원리는 부력의 크기도 설명합니다.

물체가 받는 부력은 그 물체가 밀어낸 물의 무게와 같습니다.

따라서 배가 뜨는 이유를 단순히 넓은 바닥 때문이라고 설명하는 것은 정확하지 않습니다. 중요한 것은 배가 얼마나 많은 물을 밀어내고 있는가입니다.

무거운 배에 짐을 더 실어도 뜨는 이유

배에 화물을 실으면 전체 무게가 커집니다. 그러면 떠 있기 위해 더 큰 부력이 필요합니다.

배는 이전보다 조금 더 깊이 잠깁니다. 더 깊이 잠기면 더 많은 물을 밀어냅니다.

밀어낸 물이 많아지면 부력도 커집니다. 부력과 증가한 배의 전체 무게가 같아지는 지점에서 새로운 평형이 만들어집니다.

그래서 짐을 실은 배는 빈 배보다 더 깊이 잠긴 상태로 떠 있게 됩니다.

다만 이 설명은 배가 정상적으로 떠 있을 수 있는 범위 안에서 적용됩니다.

배가 뜨는 원리에서 자주 헷갈리는 세 가지

부력이 배의 무게보다 커야 떠 있을까?

그렇지 않습니다.

물 위에 떠서 정지한 배에서는 부력과 배 전체의 무게가 같습니다.

부력이 무게보다 크다면 위쪽으로 향하는 순힘이 생깁니다.

배는 물과 닿는 면적이 넓어서 뜰까?

이렇게 단순화하면 정확하지 않습니다.

부력의 기본 크기는 물과 닿는 면적 자체로 정해지지 않습니다. 배가 밀어낸 물의 무게가 중요합니다.

선체의 모양은 얼마나 많은 물을 밀어낼 수 있는지에 영향을 줍니다.

배 모양으로 만들면 쇠가 가벼워질까?

쇠 자체의 밀도는 달라지지 않습니다.

달라지는 것은 내부의 빈 공간을 포함한 배 전체의 평균 밀도입니다. 큰 선체는 충분한 물을 밀어낼 수 있습니다.

그래서 배의 무게를 지탱할 만큼의 부력을 받을 수 있습니다.

결국 무거운 배가 물에 뜨는 이유는 배가 필요한 만큼의 부력을 받을 수 있기 때문입니다.

떠서 정지한 배에서는 부력과 배 전체의 무게가 같습니다. 그리고 그 부력의 크기는 배가 밀어낸 물의 무게와 같습니다.