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영국의 물리학자인 로버트 훅은 그의 동료가 개발한 새 현미경을 이용하여 생물의 기본 구조를 처음으로 밝혀 냈다.

그는 코르크 조각 속에서 일련의 속이 텅 빈 독립된 구조를 발견하고 그것을 세포라고 불렀다. 오늘날 우리는 이것을 세포벽이라고 한다.

놀이동산에 가면 바구니를 매달고 하늘에 떠 있는 커다란 풍선을 볼 수 있다.

둥근 공 모양부터 자동차, 동물 등 다양한 모양을 한 열기구다.

여기에 사람이 직접 타기도 하고, 커다란 글씨나 상표를 써 광고를 하기도 한다.

그런데 이 열기구에는 엔진도 프로펠러도 없다.

단지 공기주머니에 강한 불꽃을 쏘는 기기들만 있을 뿐이다.

불꽃만으로 커다란 기구가 하늘에 뜨다니, 대체 어떤 원리일까?

열기구가 하늘에 뜨는 원리는 부력으로 설명할 수 있다.

부력은 공기나 물보다 가벼운 물체가 물이나 공기 위에 뜨려는 힘을 말한다.

다시 말해 공기주머니의 뜨거워진 공기가 주변의 공기보다 가벼워져 열기구가 하늘로 날아가는 것이다.

언뜻 별 것 아닌 것처럼 보이는 열기구의 부력에는 물이나 공기처럼 흐르는 물질인 ‘유체’와 ‘밀도’라는 개념이 숨어 있다.

우선 유체는 자신보다 밀도가 높은 물질은 아래로 보내고, 밀도가 낮은 물질은 위로 보내는 성질을 가지고 있다.

물에 나무토막과 쇠구슬을 넣었을 때 나무토막이 뜨고 쇠구슬은 가라앉는 이유다.

움직임이 없는 고체로 실험을 해보면 이런 유체의 성질을 잘 알 수 있다.

모래 위에 나무도막과 쇠구슬을 두면 그 상태를 유지하지만 모래가 든 통에 나무도막과 쇠구슬을 넣고 흔들면 무거운 순서대로 쌓인다.

통을 흔드는 동안 밀도가 높은 쇠구슬이 중력을 더 많이 받아 아래로 이동하기 때문이다.

유체는 분자의 움직임이 자유로워서 모래통처럼 흔들지 않아도 밀도에 따라 물체가 저절로 자리를 바꾼다.

물에 넣은 나무도막과 쇠구슬의 위치가 달라진 것처럼 말이다.

열기구 속 공기도 유체이고, 열로 데워져 주변 공기보다 낮은 밀도를 갖게 되므로 자연스레 높은 곳에 있으려 한다.

밀도가 큰 물체는 중력을 많이 받고, 유체 속에는 물체는 밀도에 따라 저절로 자리바꿈을 한다.

열기구는 유체인 공기 속에서 움직인다.

또 주머니 속 공기는 강한 불꽃으로 데워져 주변보다 밀도가 낮다.

따라서 가벼워진 공기주머니 속 공기는 위쪽으로 이동하려 들고, 이때 생긴 부력으로 열기구가 하늘을 나는 것이다.

글 : 박태진 과학칼럼니스트

2010년 2월 18일