배는 쇠로 만들었는데 왜 물에 뜰까? 부력과 아르키메데스의 원리

바닷가나 항구에 가면 거대한 화물선과 유조선이 물 위에 떠 있는 모습을 볼 수 있습니다.

이러한 배들은 수많은 컨테이너와 화물을 싣고 있으며, 무게가 수만 톤에서 수십만 톤에 이르기도 합니다.

그런데 여기서 한 가지 궁금증이 생깁니다.

작은 쇠구슬을 물에 넣으면 바닥으로 가라앉는데, 훨씬 무거운 철제 선박은 어떻게 물 위에 떠 있을까요?

쇠는 물보다 밀도가 높은 물질입니다. 일반적으로 쇠로 만든 물체를 물에 넣으면 가라앉기 쉽습니다.

하지만 배는 대부분의 구조를 강철로 만들고도 바다 위에 안정적으로 떠 있습니다.

그 이유는 배의 무게만으로 물에 뜨는지 가라앉는지가 결정되는 것이 아니기 때문입니다.

배가 물에 뜨는 비밀은 물이 물체를 위로 밀어 올리는 부력과 배 전체의 평균 밀도에 있습니다.

이번 글에서는 쇠로 만든 배가 물에 뜨는 이유와 아르키메데스의 원리, 배의 구조에 숨어 있는 과학을 알아보겠습니다.

쇠는 물보다 무거운데 왜 배는 가라앉지 않을까?

먼저 쇠와 물의 밀도를 비교해 보겠습니다.

밀도는 일정한 부피 안에 얼마나 많은 질량이 들어 있는지를 나타내는 물리량입니다.

밀도는 다음과 같이 계산합니다.

밀도 = 질량 ÷ 부피

일반적인 철의 밀도는 약 7,870kg/m³이고, 순수한 물의 밀도는 약 1,000kg/m³입니다.

즉, 같은 부피라면 철은 물보다 약 7.9배 무겁습니다.

따라서 내부까지 쇠로 가득 찬 쇠구슬을 물에 넣으면 대부분 가라앉습니다.

하지만 철제 선박은 쇠구슬과 구조가 다릅니다.

배의 내부에는 화물칸과 기관실, 객실 등 다양한 공간이 있으며, 상당 부분이 공기로 채워져 있습니다.

배 전체를 하나의 물체로 생각하면 강철뿐 아니라 내부의 공기 공간까지 포함한 큰 부피를 가지게 됩니다.

그 결과 배 전체의 평균 밀도는 강철 자체의 밀도보다 훨씬 낮아질 수 있습니다.

배가 충분한 양의 물을 밀어낼 수 있는 구조를 갖추면 자신의 무게를 지탱할 만큼의 부력을 얻을 수 있습니다.

이것이 거대한 철제 선박이 물 위에 뜰 수 있는 기본적인 이유입니다.

부력이란 무엇일까?

부력은 물이나 공기 같은 유체 속에 있는 물체가 받는 위쪽 방향의 힘입니다.

물속에 물체를 넣으면 물체의 표면에는 여러 방향에서 압력이 작용합니다.

이때 물속에서는 일반적으로 깊이가 깊어질수록 압력이 증가합니다.

따라서 물체의 아래쪽 표면에는 위쪽 표면보다 더 큰 압력이 작용할 수 있습니다.

이러한 압력 차이로 인해 물체에는 전체적으로 위쪽 방향의 힘이 발생합니다.

이 힘이 바로 부력입니다.

예를 들어 수영장에서 물속에 들어가면 몸이 가볍게 느껴지는 경험을 할 수 있습니다.

이는 물이 몸을 위로 밀어 올리는 부력을 제공하기 때문입니다.

무거운 물체를 물속에서 들어 올릴 때 공기 중에서보다 가볍게 느껴지는 것도 같은 원리입니다.

하지만 부력이 작용한다고 해서 모든 물체가 물 위에 뜨는 것은 아닙니다.

물체에 작용하는 중력과 부력의 크기에 따라 물체가 떠오르거나 가라앉을 수 있습니다.

아르키메데스의 원리는 무엇일까?

부력을 설명하는 대표적인 물리 법칙이 **아르키메데스의 원리(Archimedes’ Principle)**입니다.

아르키메데스는 고대 그리스의 수학자이자 과학자로, 물체가 유체 속에서 받는 부력에 관한 원리를 정리한 인물입니다.

아르키메데스의 원리는 다음과 같습니다.

유체 속에 잠긴 물체는 자신이 밀어낸 유체의 무게와 같은 크기의 부력을 받습니다.

쉽게 말하면 물체가 물속에서 차지한 공간만큼의 물이 밀려나고, 그 밀려난 물의 무게에 해당하는 힘이 물체를 위로 밀어 올린다는 뜻입니다.

부력의 크기는 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.

부력 = 유체의 밀도 × 중력가속도 × 밀어낸 유체의 부피

수식으로 표현하면 다음과 같습니다.

부력(N) = 유체의 밀도(kg/m³) × 중력가속도(m/s²) × 밀어낸 유체의 부피(m³)

이 식에서 중요한 부분은 부력이 물체의 재질만으로 결정되지 않는다는 점입니다.

얼마나 많은 물을 밀어내는지가 부력의 크기를 결정하는 핵심 요소입니다.

쇠구슬은 가라앉고 철제 배는 뜨는 이유

쇠구슬과 철제 배의 차이를 조금 더 자세히 살펴보겠습니다.

쇠구슬은 내부까지 쇠로 가득 차 있습니다.

따라서 질량에 비해 부피가 작고, 물속에 들어갔을 때 밀어내는 물의 양도 상대적으로 적습니다.

쇠구슬이 완전히 잠겼을 때 발생하는 부력이 쇠구슬의 무게보다 작다면 쇠구슬은 가라앉습니다.

반면 철제 선박은 속이 비어 있는 커다란 구조물입니다.

선체 내부에 공기 공간이 존재하기 때문에 배의 무게에 비해 전체 부피가 큽니다.

배가 물속으로 조금씩 잠기면 선체가 밀어내는 물의 부피가 증가합니다.

그에 따라 부력도 커집니다.

그러다가 배가 밀어낸 물의 무게와 배 전체의 무게가 같아지는 지점에 도달하면 배는 더 이상 아래로 가라앉지 않고 떠 있을 수 있습니다.

즉, 쇠구슬과 철제 배의 차이는 단순히 무게가 아니라 부피와 구조, 그리고 밀어낼 수 있는 물의 양에 있습니다.

배는 자신의 무게만큼 물을 밀어낸다

물 위에 안정적으로 떠 있는 배에는 아래쪽으로 작용하는 중력과 위쪽으로 작용하는 부력이 있습니다.

배가 정지한 상태에서 떠 있다면 두 힘은 균형을 이룹니다.

따라서 다음 관계가 성립합니다.

배에 작용하는 부력 = 배 전체의 무게

아르키메데스의 원리에 따르면 부력은 배가 밀어낸 물의 무게와 같습니다.

결국 물 위에 떠 있는 배는 자신의 무게와 같은 무게의 물을 밀어내고 있는 것입니다.

예를 들어 배와 화물을 합친 질량이 10,000톤이라고 가정해 보겠습니다.

이 배가 담수에 떠 있다면 약 10,000톤의 물을 밀어내야 합니다.

물의 밀도를 1톤/m³로 가정하면 약 10,000m³의 물을 밀어내는 셈입니다.

배에 화물을 더 실으면 전체 무게가 증가합니다.

그러면 더 큰 부력이 필요해지므로 배는 물속으로 조금 더 잠기게 됩니다.

배가 더 깊이 잠길수록 밀어내는 물의 양이 증가하고, 그에 따라 부력도 커집니다.

이러한 과정을 통해 새로운 균형이 형성됩니다.

배에 화물을 많이 실으면 왜 더 깊이 잠길까?

항구에서 화물을 싣는 배를 보면 화물이 늘어날수록 선체가 물속으로 조금씩 더 내려가는 모습을 볼 수 있습니다.

이것도 아르키메데스의 원리로 설명할 수 있습니다.

배에 화물을 추가하면 배 전체의 무게가 증가합니다.

하지만 처음에는 배가 밀어내는 물의 양이 그대로이므로 부력이 증가한 무게를 충분히 지탱하지 못합니다.

그러면 배가 조금 더 가라앉습니다.

배가 더 깊이 잠기면 물속에 들어간 선체의 부피가 커지고, 밀어내는 물의 양도 증가합니다.

결국 증가한 무게와 부력이 다시 같아지는 위치에서 배는 떠 있게 됩니다.

하지만 배가 무한정 화물을 실을 수 있는 것은 아닙니다.

선체의 구조적 강도와 복원성, 안전한 흘수 등에는 한계가 있기 때문입니다.

화물을 지나치게 많이 싣거나 잘못 배치하면 배의 안전성이 크게 떨어질 수 있습니다.

배 옆면에 그려진 선은 무엇일까?

대형 선박의 옆면을 보면 여러 개의 선과 숫자가 표시되어 있는 경우가 있습니다.

이 가운데 대표적인 것이 **만재흘수선(Load Line)**입니다.

만재흘수선은 선박이 특정 조건에서 안전하게 적재할 수 있는 한계를 나타내는 표시입니다.

선박이 얼마나 깊이 잠겼는지를 나타내는 개념은 흘수(Draft)라고 합니다.

흘수는 수면에서 선체의 가장 아래쪽 기준점까지의 수직 거리를 의미합니다.

화물을 많이 실을수록 흘수가 깊어집니다.

만재흘수선은 선박이 과도하게 잠기는 것을 방지하고, 충분한 여유 부력과 안전성을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다.

또 바닷물의 밀도와 계절, 운항 해역의 조건에 따라 적용되는 기준이 달라질 수 있습니다.

따라서 선박의 옆면에 표시된 선은 단순한 눈금이 아니라 안전한 운항을 위한 중요한 기준입니다.

바닷물에서는 배가 더 잘 뜰까?

같은 배를 바닷물과 민물에 띄우면 잠기는 깊이가 달라질 수 있습니다.

그 이유는 바닷물과 민물의 밀도가 다르기 때문입니다.

일반적으로 바닷물에는 소금 등 여러 물질이 녹아 있어 민물보다 밀도가 높습니다.

민물의 밀도는 약 1,000kg/m³이며, 일반적인 해수의 밀도는 약 1,025kg/m³ 정도입니다.

다만 실제 밀도는 온도와 염분 등에 따라 달라집니다.

아르키메데스의 원리에 따르면 같은 부피의 물을 밀어냈을 때 밀도가 높은 바닷물에서 더 큰 부력이 발생합니다.

따라서 같은 무게의 배라면 바닷물에서 더 적은 부피의 물을 밀어내도 자신의 무게를 지탱할 수 있습니다.

그 결과 배는 민물보다 바닷물에서 조금 덜 잠길 수 있습니다.

이러한 차이는 선박의 적재량과 흘수를 계산할 때도 고려됩니다.

얼음도 부력 때문에 물 위에 뜰까?

부력은 배뿐 아니라 얼음이 물 위에 뜨는 현상도 설명합니다.

얼음은 물보다 밀도가 낮기 때문에 물 위에 떠 있을 수 있습니다.

얼음이 물에 들어가면 일부가 잠기면서 물을 밀어냅니다.

그리고 밀어낸 물의 무게와 얼음의 무게가 같아지는 지점에서 떠 있게 됩니다.

다만 얼음과 철제 선박은 물에 뜨는 이유를 설명할 때 차이가 있습니다.

얼음은 물이 얼면서 분자 배열이 달라지고 부피가 증가해 밀도가 낮아집니다.

반면 철제 선박은 강철 자체의 밀도가 낮아지는 것이 아니라 내부의 빈 공간을 포함한 전체 구조 덕분에 충분한 부력을 확보합니다.

얼음의 밀도가 물보다 낮아지는 이유와 물 분자의 구조가 궁금하다면 얼음은 왜 물에 가라앉지 않고 뜰까?에서 자세히 알아볼 수 있습니다.

두 현상 모두 부력과 밀도의 관계를 이해하는 데 좋은 예시입니다.

배는 왜 넓고 속이 빈 형태로 만들까?

배의 구조를 살펴보면 선체가 길고 넓으며 내부에 다양한 공간이 있는 것을 알 수 있습니다.

이러한 구조는 단순히 화물을 많이 싣기 위한 목적만 있는 것이 아닙니다.

배가 물 위에 떠 있을 수 있도록 충분한 부피를 확보하는 데도 중요합니다.

선체가 물속에 잠기면서 많은 양의 물을 밀어낼 수 있어야 배의 무게를 지탱할 만큼의 부력이 발생합니다.

또 배의 형태는 물의 저항과 안정성에도 영향을 줍니다.

너무 넓거나 부피가 큰 형태는 부력 확보에 유리한 측면이 있을 수 있지만, 항해할 때 물의 저항이 증가할 수도 있습니다.

반대로 물의 저항을 줄이는 데 집중한 형태는 적재 공간이나 안정성 측면에서 다른 조건을 고려해야 할 수 있습니다.

따라서 선박을 설계할 때는 부력뿐 아니라 속도와 연료 효율, 화물 적재 능력, 파도에 대한 안정성 등을 함께 고려합니다.

배가 한쪽으로 기울어도 다시 돌아오는 이유

배가 물 위에 뜬다고 해서 반드시 안전한 것은 아닙니다.

파도나 바람 때문에 배가 한쪽으로 기울어질 때 다시 원래 자세로 돌아올 수 있는 능력도 중요합니다.

이를 **복원성(Stability)**이라고 합니다.

배에는 무게가 작용하는 중심인 무게중심이 있습니다.

또 물이 배를 위로 밀어 올리는 부력의 작용점을 부심이라고 합니다.

배가 기울면 물속에 잠긴 선체의 모양이 달라집니다.

그에 따라 부심의 위치도 변화할 수 있습니다.

이때 중력과 부력이 만드는 회전 효과가 배를 다시 세우는 방향으로 작용하면 배는 원래 자세로 돌아가려 합니다.

이러한 성질이 선박의 복원성입니다.

하지만 배의 무게중심이 지나치게 높거나 화물이 한쪽으로 쏠리면 복원성이 나빠질 수 있습니다.

따라서 선박에서는 화물을 어디에 얼마나 싣는지도 매우 중요합니다.

단순히 물 위에 떠 있는 것과 안전하게 항해하는 것은 서로 다른 문제인 셈입니다.

배에 물이 들어오면 왜 가라앉을까?

배가 물에 뜨는 이유는 내부에 공기 공간이 있고, 충분한 양의 물을 밀어낼 수 있기 때문입니다.

그렇다면 선체에 구멍이 생겨 물이 들어오면 어떻게 될까요?

배 내부로 물이 들어오면 기존에 공기가 차지하던 공간 일부가 물로 채워집니다.

그 결과 선체 내부에 추가적인 물의 무게가 생기고, 배의 부력과 무게 사이의 균형이 달라집니다.

배는 더 많은 물을 밀어내기 위해 깊이 잠길 수 있습니다.

하지만 침수가 계속되면 안전하게 떠 있을 수 있는 한계를 넘어설 수 있습니다.

또 물이 한쪽 공간에 집중되면 배의 무게 배치가 달라지고 복원성에도 문제가 생길 수 있습니다.

이 때문에 대형 선박은 내부 공간을 여러 구획으로 나누는 방수 격벽을 설치하기도 합니다.

방수 격벽은 선체 일부에 물이 들어오더라도 침수가 다른 공간으로 빠르게 확산되는 것을 줄이는 데 도움을 줍니다.

다만 방수 격벽이 있다고 해서 모든 침수 상황에서 선박이 가라앉지 않는 것은 아닙니다.

침수 범위와 선박의 구조, 손상 상태 등에 따라 결과가 달라질 수 있습니다.

잠수함은 어떻게 물속으로 가라앉았다가 다시 떠오를까?

잠수함도 부력의 원리를 활용합니다.

일반적인 선박은 물 위에 떠 있도록 설계되지만, 잠수함은 물속으로 잠수하거나 다시 떠오를 수 있어야 합니다.

이를 위해 잠수함에는 **밸러스트 탱크(Ballast Tank)**라는 장치가 있습니다.

잠수함이 잠수할 때는 밸러스트 탱크에 바닷물을 채워 전체 무게를 증가시킵니다.

그 결과 잠수함에 작용하는 중력과 부력의 관계가 변하면서 아래로 내려갈 수 있습니다.

반대로 수면으로 떠오를 때는 탱크 안의 물을 배출하고 공기를 채워 전체 무게를 줄입니다.

그러면 부력이 중력보다 커져 잠수함이 위로 올라갈 수 있습니다.

물속에서 일정한 깊이를 유지할 때는 부력과 무게의 균형을 조절합니다.

또 잠수함은 수평타 등의 조종 장치를 이용해 움직이는 동안 깊이를 조절하기도 합니다.

즉, 잠수함은 부력을 조절하는 기술을 통해 물속에서 움직이는 대표적인 교통수단입니다.

종이배도 같은 원리로 뜰까?

종이배가 물 위에 뜨는 것도 부력과 관련이 있습니다.

종이배는 종이를 접어 내부에 공기 공간을 가진 형태로 만듭니다.

그 결과 종이배는 비교적 적은 무게로도 충분한 양의 물을 밀어낼 수 있습니다.

따라서 부력이 종이배의 무게를 지탱하면 물 위에 떠 있게 됩니다.

하지만 종이가 물을 흡수하면 상황이 달라집니다.

종이의 무게가 증가하고 구조가 약해지면서 형태를 유지하기 어려워질 수 있습니다.

그 결과 종이배는 점차 가라앉을 수 있습니다.

이처럼 종이배와 거대한 철제 선박은 크기와 재료가 다르지만, 물에 뜨는 기본적인 원리는 같습니다.

배가 물에 뜨는 원리를 정리하면

지금까지 살펴본 내용을 정리해보겠습니다.

첫째, 물속에 있는 물체에는 부력이 작용합니다.

부력은 물체가 밀어낸 물의 무게에 해당하는 위쪽 방향의 힘입니다.

둘째, 철제 선박은 내부에 빈 공간이 있는 커다란 구조물입니다.

강철 자체는 물보다 밀도가 높지만, 배 전체의 평균 밀도는 더 낮아질 수 있습니다.

셋째, 배는 자신의 무게와 같은 무게의 물을 밀어내며 떠 있습니다.

화물을 많이 실으면 더 큰 부력이 필요하므로 배가 더 깊이 잠깁니다.

넷째, 바닷물에서는 민물보다 배가 조금 덜 잠길 수 있습니다.

바닷물의 밀도가 일반적으로 더 높기 때문입니다.

다섯째, 배가 안전하게 항해하려면 복원성도 중요합니다.

부력뿐 아니라 무게중심과 화물 배치, 선체 구조 등을 함께 고려해야 합니다.

마무리

작은 쇠구슬은 물속으로 가라앉지만, 거대한 철제 선박은 바다 위에 떠 있습니다.

이 차이는 단순히 물체가 무겁거나 가볍기 때문에 발생하는 것이 아닙니다.

쇠구슬은 부피에 비해 무게가 커서 자신이 밀어낸 물의 부력만으로 무게를 지탱하기 어렵습니다.

반면 철제 선박은 내부에 넓은 공간을 가진 구조로 만들어져 충분한 양의 물을 밀어낼 수 있습니다.

그 결과 배 전체의 무게와 부력이 균형을 이루면서 물 위에 떠 있을 수 있습니다.

결국 배가 물에 뜨는 이유는 쇠가 특별한 성질을 가지고 있기 때문이 아니라, 아르키메데스의 원리를 이용해 충분한 부력을 얻도록 설계되었기 때문입니다.

다음에 항구에서 거대한 배를 보게 된다면, 그 배가 자신의 무게만큼 물을 밀어내면서 떠 있다는 사실을 떠올려보세요.

참고자료

1. Encyclopaedia Britannica — Archimedes’ Principle
   https://www.britannica.com/science/Archimedes-principle
2. Encyclopaedia Britannica — Buoyancy
   https://www.britannica.com/science/buoyancy
3. 미국 해양대기청(NOAA) — Ocean Facts
   https://oceanservice.noaa.gov/facts/
4. 국제해사기구(IMO) — Load Lines
   https://www.imo.org/