물속의 돌

무게가 50 kg인 돌을 줄에 매달아서 수면 아래로 내린다. 돌이 완전히 잠겨 있으려면 50kg 이하의 힘으로 지탱해 주어야 한다는 것을 알 게 된다. 돌이 점점 잠길수록 그 돌을 계속 들고 있는데 필요한 힘은 ?

 

(a) 적어진다.

(b) 동일하다.

(c) 수면 바로 아래보다 커진다

 

 

 

 

 

 

 

정답 : b

 

물에 잠긴 돌에 작용하는 부력은 돌에 의하여 대체된 물의 무게와 똑같고 그래서 돌이 수면 아래 잠겨 있을 때 지탱해 주는 힘은 50 kg보다 작다. 돌이 점점 더 깊이 들어간다고 해도 그것이 대신한 물의 무게와 부피는 변하지 않는다. 왜냐하면 물은 실질적으로 압축이 불가능하므로 수면 가까이에 있거나 매우 깊은 곳에 있거나 그 밀도는 동일하기 때문이다. 그러므로 부력은 깊이에 따라 변하지는 않으며, 그 돌을 물속에 유지시키는 데 필요한 힘은 그 돌이 수면 바로 아래 있거나 깊이 있거나 똑같다.

 

 

반면에 수압은 깊이에 따라 증가하므로 그것이 잠긴 물체가 떠오르기 시작하는 것이다. 잠긴 물체의 아래 부분은 윗부분보다 언제나 깊으며 그래서 아래 부분을 위로 미는 압력은 윗부분을 누르는 힘보다 항상 크다. 그러나 이것이 물에 잠긴 물체의 부력이 깊이에 따라 증가한다는 것을 의미하지는 않는데, 위로 미는 압력과 아래로 누르는 압력의 차이는 그림에서 보는 것처럼 모든 깊이에서 동일하다.

 

 

(물에 잠긴 물체가 그 물체와 용기 바닥 사이에 물의 막도 없이 바닥에 대해 정지한 것 같은 특별한 경우에는 위로 향하는 부력도 없을 것이다)