비행기는 어떻게 하늘을 날아? 배는 어떻게 물 위에 떠?

아이들의 성장 발달 과정 중 ‘왜’ 공격이 시작될 때가 있다. “하늘은 왜 파래?”, “철은 왜 자석에 붙어?”, “전구에서는 왜 빛이 나?” 이 시기는 아이가 생활 속 과학에 호기심을 보이기 시작했다는 증거다. 아이들의 반짝이는 눈망울을 보고도 “하늘이 원래 파란 거지 왜가 어딨니?”라고 말할 것인가. 사소한 질문에도 과학의 원리를 척척 설명할 수 있는 똑똑한 부모가 되자.

“비행기는 어떻게 하늘을 날아?”
준비물 풍선, 비행기 사진이나 모형, 종이팩 주스
집에만 있기에는 아까운 청명한 6월이다. 올여름 휴가 계획을 짜보는 것만으로도 마음은 이미 휴가지에 가 있다. 이번에는 무리를 해서라도 가족과 함께 가까운 해외라도 나가볼까? 아이에게 책에서만 봤던 비행기를 타보는 것은 직접 체험할 수 있는 기회가 될 것이다. 이때 비행기가 하늘을 나는 원리도 설명해준다면 얼마나 신기해할까?

사람과 화물을 옮기는 엄청 큰 비행기. 이런 무거운 것이 하늘을 날 수 있다니 정말 믿을 수 없는 일일 거야. 비행기가 날 수 있는 이유는 엔진과 날개 덕분이야. 먼저 비행기의 엔진은 석유를 태워 엄청난 힘으로 가스를 뿜어낸단다. 그 힘으로 비행기는 앞으로 전진해가는 거야. 직접 타보면 알겠지만 엄청난 속도로 달리지. 자동차보다 몇십 배는 더 빨라. 풍선을 비행기라 생각하고 실험을 해보자. 여기 있는 풍선을 불어볼래? 그리고 쥐었던 손을 놓아봐. 풍선 속 공기가 빠지면서 풍선이 휙 날아가지? 비행기도 이런 원리로 가스를 뿜어 앞으로 움직이는 거야. 그렇지만 가스는 뒤로만 뿜기 때문에 앞으로 나가게 할 수는 있지만 하늘을 오르게 하는 힘은 없어. 그럼 강철로 만들어진 무거운 비행기는 어떻게 하늘을 날 수 있는 것일까?

그건 날개에 비밀이 있단다. 비행기의 날개는 아래쪽 방향이 편평하고 위쪽은 타원 모양으로 볼록하게 돼 있지? 엔진의 힘으로 비행기를 전진시키면 날개에 공기가 닿을 거야. 그 공기는 날개 아래와 위 양방향으로 나뉘어 흘러가지. 그리고 공기는 날개의 뒤쪽에서 다시 합류하게 되겠지. 이때 날개의 위쪽 방향은 볼록하게 굴곡이 있으니까 아래를 통하고 있는 공기보다 위쪽 공기가 조금 천천히 흐르겠지. 빨리 흐르는 날개 위쪽 공기는 점점 줄어든단다. 그렇게 되면 공기는 많은 쪽에서 적은 쪽으로 흐르려는 성질이 있어. 날개 아래의 많은 공기가 위의 적은 곳으로 가려고 하니까 그 힘으로 비행기가 위로 뜨는 거란다. 자, 이 빨대로 종이 팩의 주스를 다 마시고 마지막 공기까지 완전히 들이마시면 어떻게 되지?

“종이팩이 찌그러져.”
“그런 다음에 빨대를 입에서 떼면 어떻게 되지?”
“원래 상태로 불룩하게 돌아와.”

그래. 공기는 많은 쪽에서 적은 쪽으로 흐르기 때문이야. 그 힘은 비행기를 들어 올릴 정도로 아주 세. 빈 페트병의 공기를 다 빨아들이고 동시에 혀를 입구에 살짝 대보면 쑥 빨려 들어가지?

그것이 바로 비행기도 들어올릴 수 있는 공기의 힘이란다. 비행기가 엄청 빠르다는 건 알고 있지? 서울에서 제주도도 30, 40분 만에 갈 수 있지. 그렇게 엄청난 속도로 전진하니까 위쪽으로 가려는 공기의 힘이 계속 유지되는 거야. 그래서 무거운 비행기는 하늘을 나는 거란다.

아빠에게 한마디
요트와 비행기의 공통점은?
위에 설명한 비행기가 뜨는 힘을 ‘양력’이라고 합니다. 비행기뿐만 아니라 바다 위에서 즐기는 요트의 추진력도 양력에 의한 것입니다. 돛의 바깥쪽으로 공기가 맞닿으면 부풀어 오른 곡면을 따라 빠르게 흐르지만 반대쪽은 이보다 공기의 속도가 느립니다. 표면 길이가 긴 바깥쪽 돛을 통과하는 공기가 같은 시간 동안 더 먼 거리를 가는 것이죠. 자연스럽게 돛 바깥쪽 압력이 낮아지면서 이 방향으로 나아가는 힘(양력)이 발생해 요트가 전진하는 겁니다.

“아빠, 그럼 무거운 배는 어떻게 물에 뜨는 거야?”

[아빠가 들려주는 과학이야기]비행기는 어떻게 하늘을 날아? 배는 어떻게 물 위에 떠?

준비물 같은 크기의 쿠킹(알루미늄)포일 두 장, 물을 가득 채운 세숫대야
(실험 중 물이 넘쳐흐를 수 있으니 목욕탕이나 야외에서 해주세요.)

배가 물에 뜨는 이유도 설명해줄게. 돌이나 철을 물속에 넣으면 가라앉고 말지만 나무나 플라스틱은 물 위로 뜨지. 왜일까?

“돌과 철은 무거우니까.”

그래. 돌과 철은 무겁지만 나무와 플라스틱은 가볍기 때문이야.
정확히 말하면 물보다 무거운 것은 가라앉고 가벼운 것은 뜨는 거란다. 그렇지만 신기하지. 정말 적은 양의 물은 나무보다 가벼울 텐데? 또 수영장 같이 엄청 많이 고인 물은 돌보다 무거울 것이고? ‘무겁다’라든지 ‘가볍다’는 건 도대체 뭘까?

정답은 같은 크기로 비교했을 때 물보다 무거운 것은 가라앉고 물보다 가벼운 것은 뜨는 거란다. 그것을 어려운 말로 ‘밀도’라고 해. 그건 나중에 학교에서 배울 거야. 자, 그럼 철로 만들어진 배가 뜨는 이유를 설명해줄게. 이 실험을 잘 봐봐.

(같은 크기의 쿠킹포일을 두 장 준비합니다. 두 장은 무게가 같습니다. 한 장은 구겨서 공처럼 둥글게 만들고 다른 한 장은 빈 상자처럼 만들어서 준비한 물 위에 넣어보는 겁니다.)

“공으로 만든 건 가라앉고 상자로 만든 건 떴네?”
그렇지? 실제로 배 안에는 아무것도 없는 빈 공간이 많아. 그래서 배의 큰 부분과 비교하면 철이 있는 부분은 정말 적은 양인 거지. 밖에서 보기에는 전부 철인 것 같지만 안은 비어 있어. 이 쿠킹포일 상자처럼 말이야. 원래 같은 무게의 물질이라도 크기나 부피에 따라 밀도가 달라지는 거지. 쿠킹포일 공은 물보다 무거운 밀도를 갖게 되고 쿠킹포일 상자는 물보다 가벼운 밀도를 갖게 되는 거란다.

또 물은 의외로 무겁단다. 빈 대야를 물 위에 올려놓고 정가운데를 눌러서 대야를 가라앉혀봐. 쉽지 않지? 꽤 큰 힘이 필요하단다. 그 힘이 물의 무게야. 재밌지? 이 힘은 어려운 말로 ‘부력’이라고 한단다. 쿠킹포일 공은 부피가 작아 물이 공을 밀어내는 힘(부력)보다 크고, 반면에 쿠킹포일 상자는 무게에 비해 부피가 커서 물의 힘보다 작아져 뜰 수 있는 거란다.

아빠에게 한마디
왜 바닷물에서 몸이 더 잘 뜰까?
부력은 기원전 200년경 그리스의 아르키메데스에 의해 발견됐어요. 그가 발견의 기쁨에 알몸으로 “유레카!”라고 외쳤다는 일화를 잘 아실 겁니다. 덧붙여 바닷물에서 물체가 뜨기 쉬운 것은 물에 소금이 녹아 있기 때문에 당연히 순수한 물보다 무거워진 거예요. 그러면서 부력도 커진 거고요(소금의 농도가 높을수록 부력도 커집니다).

■기획 / 이유진 기자 ■글 / 서상수(한국전기연구원 공학박사) ■일러스트 / 박채빈