How Submarines Sink and Float

자흐라는 샌프란시스코 만을 가로질러 미끄러지듯 나아가는 거대한 컨테이너선을 바라보았습니다. 이 거대한 배를 띄우는 것은 바로 부력 현상입니다. 하지만 어떻게 그럴 수 있을까요? 그렇게 무거운 것이 물에 뜰 수 있다는 것은 불가능해 보입니다. 사실, 어떤 컨테이너선은 엠파이어 스테이트 빌딩의 높이보다 더 길기도 합니다! 사실: 컨테이너선의 부력은 선체의 모양과 배가 밀어내는 물의 부피에 따라 달라집니다. 이 원리 덕분에 엠파이어 스테이트 빌딩보다 긴 배들도 수십만 톤에 달하는 무게에도 불구하고 떠 있을 수 있습니다!

집으로 돌아와 노 밸리에서, 자라는 장난감 잠수함과 함께 목욕을 하고 있었는데, 잠수함이 바닥으로 가라앉았다. 그녀는 거대한 배들은 뜨는데 왜 자신의 작은 장난감은 가라앉는지 궁금했다. 그녀는 소파에서 책을 읽고 있던 아빠에게 물었다. "아빠, 왜 큰 배들은 뜨는데 제 잠수함은 가라앉아요?" 그녀는 당황하며 물었다. "자라, 정말 좋은 질문이구나!" 아빠가 대답했다. "그건 모두 부력이라는 것 때문이야. 우리가 한번 조사해 봐야겠네." 팩트: 재미있는 사실: 빛이 태양에서 지구까지 도달하는 데는 팔 분 이십 초가 걸립니다. 아마 그래서 목욕물이 식는 데 영원히 걸리는 것처럼 느껴지는지도 모릅니다!

자흐라의 아빠는 공책을 꺼내며 말했다. "아르키메데스가 오래전에 알아낸 것을 살펴보자." 그는 아르키메데스에 대한 페이지를 펼치고 말했다. "'유레카!' 아르키메데스가 부력의 원리를 발견했을 때 유명하게 외쳤던 말이지. 그것은 배와 같은 떠다니는 물체들을 우리가 이해하는 방식을 영원히 바꿔 놓았단다." "아르키메데스는 그리스의 수학자, 물리학자, 공학자, 발명가, 그리고 천문학자였어." 자흐라의 아빠가 설명했다. "그는 이천 년도 더 전에 살았지. 그의 원리는 물체가 어떻게 뜨거나 가라앉는지를 설명해 준단다." 사실: 고대 그리스에서 정립된 아르키메데스의 원리는 오늘날에도 해군 건축의 기본 원리이다.

자흐라의 아버지가 설명하기 시작했다. "잠수함이 저울 위에 놓여 있는데, 물속에 있다고 상상해 봐. 이제 같은 부피의 물이 그 저울 위에 놓여 있는데, 물속이 아니라고 상상해 봐. 그 부피의 물의 무게가 잠수함을 위로 밀어 올리는 부력이야!" 그는 공책에 있는 그림을 그녀에게 보여주었다. "핵심은 배수량이야." 그가 말했다. "물체가 뜨려면 부력, 즉 물체가 밀어낸 물의 무게가 그 물체 자체의 무게보다 커야 해. 그리고 그 말은 전체 밀도가 물보다 작다는 뜻이지!" 자흐라는 이해하기 시작했다. 팩트: 밀도는 단위 부피당 질량이다. 물체가 물보다 밀도가 낮으면 뜨고, 그렇지 않으면 가라앉는다. 배는 질량에 비해 부피를 최대화하도록 설계된다.

아빠는 자라에게 잠수함이 어떻게 부력을 조절하는지 보여주셨습니다. 아빠는 "잠수함에는 밸러스트 탱크가 있어."라고 설명하셨습니다. "탱크를 공기로 채우면 잠수함이 밀어내는 물의 양이 줄어들어 가벼워지고 떠오를 수 있지. 물로 채우면 더 많은 물을 밀어내서 잠수함이 가라앉는 거야." 아빠는 밸러스트 탱크에 물과 공기가 채워지는 잠수함 그림을 그리셨습니다. "부력을 나타내는 화살표가 어떻게 변하는지 보이니?"라고 아빠가 물으셨습니다. 팩트: 잠수함은 밸러스트 탱크의 물과 공기 양을 조절하여 깊이를 제어하며, 이는 전체 밀도를 효과적으로 변화시키는 것입니다.

자라의 아버지는 그녀를 에버렛 중학교로 데려갔고, 그곳에서 과학 선생님인 해리스 씨는 그들에게 잠수함 모형을 보여주었습니다. 그는 밸러스트 탱크에 공기를 주입했고, 모형은 수조의 표면으로 떠올랐습니다. 그리고 그는 물을 들여보냈고, 잠수함은 가라앉았습니다. "이것이 잠수함이 심해를 탐험하는 방식입니다." 해리스 씨가 설명했습니다. "잠수함은 밀도를 변화시켜 잠수하고 떠오릅니다!" 팩트: 밸러스트 탱크는 십칠 세기 코르넬리우스 드레벨이 최초의 진정한 잠수함을 발명하는 데 필수적이었지만, 그의 설계는 현대 잠수함과는 상당히 달랐습니다.

자흐라는 실제 잠수함, 즉 심해 연구선이 마리아나 해구, 즉 바다에서 가장 깊은 곳을 탐험하는 모습을 상상했습니다. 그녀는 잠수함이 어두운 물속을 소리 없이 항해하며, 그 불빛이 이상하고 경이로운 생물들을 비추는 것을 보았습니다. 그녀는 생각했습니다. "부력과 밀도를 이해하지 못했다면, 우리는 이런 놀라운 장소들을 탐험할 수 없었을 거야!" 사실: 마리아나 해구는 너무 깊어서 에베레스트 산이 그 안에 잠겨도 그 봉우리 위로 여전히 일 마일 이상의 물이 있을 것입니다.

집으로 돌아온 자흐라는 부력의 다른 예시들을 관찰했습니다. 그녀는 열기구가 하늘로 떠오르는 것, 배가 만에 떠 있는 것, 심지어 자신이 수영장에서 떠 있는 것을 보았습니다. "부력은 어디에나 있어요!" 그녀는 열기구가 떠다니는 것을 보며 엄마에게 외쳤습니다. 팩트: 열기구는 뜨거운 공기가 차가운 공기보다 밀도가 낮기 때문에 떠오릅니다. 이러한 밀도 차이가 열기구를 들어 올리는 부력을 생성합니다.

마흔 살의 차분하고 사려 깊으며 다정한 남자인 그녀의 아버지는 안경을 쓰고 깔끔하게 짧은 수염을 기르고 관자놀이에 약간 흰머리가 섞인 짧은 짙은 머리를 하고 편안한 스웨터와 캐주얼 바지, 로퍼를 신고 있었다. 그는 그녀에게 빙산 사진을 보여주었다. "빙산처럼 거대한 것도 얼음이 물보다 밀도가 낮기 때문에 뜨는 거야." 그가 설명했다. "하지만 빙산의 약 십 퍼센트만 수면 위에 보여." 자라는 놀랐다. "그럼 빙산의 대부분은 물속에 숨겨져 있다는 말이에요?" 사실: 얼음이 액체 상태의 물보다 밀도가 낮기 때문에 빙산은 뜬다. 이는 수소 결합으로 인한 독특한 특성이다. 이 덕분에 해양 생물은 영하의 조건에서도 번성할 수 있다.

자흐라는 이제 자신의 장난감 잠수함은 가라앉는데 거대한 배들은 뜨는 이유를 이해하고 미소 지었습니다. 부력의 원리를 이해함으로써 우리는 놀라운 기계를 설계하고, 심해를 탐험하며, 심지어 빙산이 뜨는 이유까지 이해할 수 있습니다. "그녀는 깨달았습니다. '과학은 가장 작은 장난감부터 가장 큰 배에 이르기까지 우리 주변의 세상을 이해하는 데 도움을 줘요!'" 팩트: 부력을 이해하면 배, 잠수함, 열기구를 설계할 수 있으며, 심지어 빙산의 움직임을 예측하여 세상을 더 안전하고 효율적으로 항해하고 탐험하는 데 도움이 됩니다.