공기도 무게를 갖고 있다!
초등학교에서 배우는 실험에 대한 이야기를 해 볼까 합니다.
공기가 무게를 갖고 있다는 이야기는 누구나 다 아는 이야기이며, 또한 당연한 이야기이기도 합니다. 하지만 우리가 공기의 무게에 대한 실험을 하는 초등학교 과학(자연)시간에 배우는 실험은 진짜 공기의 무게를 측정하는 실험일까요???
이 문제를 조금 더 정확히 알기 위해서는 고등학교 물리 수준의 지식이 필요합니다.
초등학교에서 배우는 공기의 무게 측정 실험
양팔저울에 똑같은 풍선 두개를 매달아 놓고 수평을 맞춘 뒤에 한 쪽 풍선을 터지지 않게 가만히 구멍을 뚫으면 시간이 지나 공기가 모두 빠지면 바람이 빠진 풍선쪽이 위로 올라간다.
양팔저울에 똑같은 풍선 두개를 매달아 놓고 수평을 맞춘 뒤에 한 쪽 풍선을 터지지 않게 가만히 구멍을 뚫으면 시간이 지나 공기가 모두 빠지면 바람이 빠진 풍선쪽이 위로 올라간다.
당연한 실험 결과죠?
이번에는 잠시 부력에 대해서 공부해 봅시다.
부력은 "어떤 두 가지 이상의 종류의 물질이 섞여 계를 이룰 때 물질들이 중력적인 질량의 차이에 따라서 계 전체가 낮은 에너지를 갖는 위치로 움직이려고 할 때 받는 힘"이라고 볼 수 있습니다.
다른 말로 해서 가벼운 물질은 무거운 물질의 위로 올라가려고 하고, 무거운 물질은 가벼운 물질의 밑으로 가라앉으려고 하는데 이 때 두 물질 사이에서 상대적으로 발생하는 힘이라고 생각할 수 있습니다.
부력은 그 물질이 아니라 그 물질에 부력을 유발하는 다른 물질의 질량에 기인하는 힘으로 그 물질의 부피에 포함될 다른 물질의 질량만큼 받는다고 생각하시면 됩니다. 말로는 설명하기 어려우니 쉽게 예를 들어봅시다.
2cm3의 쇠구슬을 물 속에 넣으면 어떻게 될까요?? 2cm3의 부피 속에 들어가는 물의 질량은 2g입니다. 쇠구슬이 중력으로부터 느끼는 질량이 원래 10g이라고 한다면 물 속에서의 무게를 측정하면 '10g - 2g = 8g' 이런 산술관계에 의해서 8g이라고 측정된다는 것입니다. 이 관계를 발견한 사람은 아르키메데스로... 부력의 법칙을 발견하고 "유레카"라고 소리치면서 옷도 안 걸치고 뛰어갔다는 유명한 일화가 있습니다. 물론 이 일화는 후대의 작가가 꾸며냈다는 말이 더 설득력이 있습니다. (그리스 시대에는 옷을 걸치지 않고 다녀도 흉이 될 것이 없는 상태였기 때문에 옷을 안 걸치고 갔다고 기록이 남을리 없기 때문이다. 그러고 보니 이 것도 일반인의 상식의 오류중 하나일 지도...ㅋㅋ)
다시 공기의 무게를 측정하는 실험 이야기로 넘어가 보죠. ^^
풍선의 안쪽과 바깥쪽에 똑같은 공기가 위치할 경우에 공기가 새면 무게의 변화는 어떻게 될까요?
풍선의 안쪽에 있는 공기는 부력을 받고 있는데 밖의 공기의 무게만큼 부력을 받습니다. 그렇다면 산술적인 뺄셈에 의해서 (똑같은 숫자끼리 빼지기 때문에) 공기가 밖으로 새도 무게는 변화가 없을 것입니다. 따라서 양팔저울은 움직이지 않아야 하겠죠. 이것이 첫번째 일반인이 과학상식의 오류랍니다.^^
첫번째 오류라면 두번째 오류가 있단 말인가???
문제는 왜 무게도 변화하지 않는데도 불구하고 "양팔저울이 공기를 빼지 않은 쪽으로 기울어지는가?" 하는 문제입니다. ^^
이 문제는 여러분의 문제로 남겨둡니다.
푸신 분은 답글이나 트랙백으로 남겨주시기 바랍니다. ^^
※ 이 글에서는 "질량"과 "무게"의 의미를 정확히 사용해야 합니다. 잘못 사용하면 오류가 발생할 수 있습니다.
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첫번째 오류라는 것은 존재하지 않는 것 아닌가요? 문제 조건이 바람이 빠진다고 하는데 바람이 빠진다는 말 자체가 함의하고 있는 것은 풍선 안과 밖에 기압차가 있다는 의미이고(기압차는 풍선 고무의 장력으로 상쇄된 상황에서) 이는 밀도 차가 있음을 의미하므로 공기를 빼지 않을 쪽으로 기울어져야 할 것 같군요. 풍선이 히바리?없이 늘어나지 않은 상태에서 실험을 했을 경우 공기를 빼나 빼지 않나 같겠지만요. 리플 기다립니다. 항상 글 잘 읽고 있으며 보답으로 과감한 태클하고 갑니다.
정답이십니다. ㅎㅎㅎ