물속의 풍선

공기가 든 풍선은 물 위로 매우 높이 뜰 것이다. 그것에 약간의 추를 매단다면 좀 낮게 떠다닐 것이고, 물속에 가라앉게 할 수도 있다. 공기로 채워진 풍선이 물속에 가라앉기 직전까지 되도록 추를 단다. 즉 추와 풍선과의 밀도의 총합은 물의 밀도와 똑같고 그 맨 윗부분이 수면에 닿아 있다고 가정해 보자. 이제 그림처럼 풍선을 수면 아래로 밀어 넣는다면 풍선은 어떻게 될까? (힌트: 밀도변화가 있다는 점을 생각)

 

(a) 표면으로 다시 튀어 나온다.

(b) 밀어 넣은 만큼 머물러 있다.

(c) 바닥으로 가라앉는다.

 

 

 

 

 

 

 

 

정답 : c

 

 

 

풍선은 바닥에 가라앉을 것이다. 아래로 내려가는 줄에 매달린 돌과는 달리 풍선의 부피는 물속 깊이 들어갈수록 압력의 영향을 받는다. 풍선이 수면 아래로 들어갈수록 그것을 둘러싸고 있는 수압은 증가하고 부피는 감소한다. 이러한 부피의 감소는 풍선과 첨가된 무게에 대한 전체밀도의 증가를 초래하고, 그래서 풍선은 가라앉는다. 게다가 풍선이 가라앉을수록 크기는 점점 작아지므로 풍선의 밀도는 계속 증가한다.

 

또한 이 현상을 다른 방법으로 살펴볼 수도 있다. 풍선과 첨가된 무게에 작용하는 부력은 수면에서 그 결합물이 떠 있도록 하기에는 충분하지 못하다. 그러나 수면 아래로 밀어넣었을 때 수심이 깊을수록 증가된 압력은 풍선을 찌그러뜨리고 더욱더 작게 만든다. 풍선이 물속에서 차지하는 부피가 감소함에 따라 부력도 감소하므로 풍선은 가라 앉는다. 가라앉을수록 부피는 점점 많은 압력을 받게 되고, 부럭은 한층 더 감소한다. 이런 모든 것들은 가라앉는 풍선이 바닥에 도달하거나, 계속 압력을 받아 터지는 순간까지 내려가는 가속도를 증가시키는 경향이 있다.

 

그러므로 풍선은 수면에서는 크고 물속에 잠겨있을 때는 작다. 마찬가지로 공기중의 경우도 공기의 압력이 작은 높은 곳에 떠있는 풍선보다 지표면 근처의 풍선이 더 작다. 만약 헬륨이 가득찬 풍선을 공기중에 놓아 버리면, 위로 올라가면서 계속 커 지다가 마침내는 터지게 된다.