페트병 잠수부 실험 (부력과 압력)

Cartesian diver in a bottle

페트병을 손으로 꽉 쥐기만 했는데, 병 속 잠수부는 왜 가라앉을까요?

무슨 일이 일어났나

잠수부는 아래가 열린 작은 통 속에 공기를 품고 있어서, 물에 뜨느냐 가라앉느냐가 그 공기 방울의 크기에 달려 있습니다.

병을 쥐면 그 압력이 물 어디에나 똑같이 전해지고(파스칼 원리), 온도가 같을 때 기체는 압력이 오르면 부피가 줄어듭니다 — NASA 에 따르면 보일이 1600 년대 중반 연구한 «압력 × 부피 ≈ 일정» 입니다. 시뮬레이터에서 병 속 압력이 102 kPa 에서 132 kPa 로 오르면 속 공기가 1.08 mL 에서 0.831 mL 로 줄어듭니다.

줄어든 공기 자리로 물이 들어가 잠수부 전체가 무거워지는데, 밀어낸 물의 무게인 부력(NASA)은 그대로라 가라앉습니다. 손을 놓으면 공기가 다시 늘어나 떠오릅니다.

얼마나 세게 쥐어야 가라앉는지는 처음 품은 공기 양으로 정해집니다. 시뮬레이터에서 8 kPa 만 더하면 평균 밀도가 1,000 kg/m³ 에 겨우 닿아, 잠수부가 아주 천천히 내려갑니다.

💡 생활 속 예시

  • 수영장에서 깊이 잠수하면 물안경 속 공기가 눌려 줄어들면서, 물안경이 얼굴에 더 꽉 달라붙는 느낌이 듭니다.
  • 과자 봉지를 들고 높은 산에 오르면 봉지가 빵빵하게 부풉니다 — 바깥 압력이 낮아져 속 공기가 늘어난 것으로, 병을 쥐어 잠수부 속 공기가 줄어드는 것과 거꾸로입니다.

🧪 해 보기

  1. 어른과 함께 준비합니다: 500 mL 투명 페트병, 위쪽이 막힌 볼펜 뚜껑 하나, 콩알만 한 지점토, 물.
  2. 볼펜 뚜껑의 열린 쪽(아래) 둘레에 지점토를 조금 붙이고, 물컵에 띄워 꼭대기만 살짝 나올 만큼 지점토 양을 맞춥니다.
  3. 페트병에 물을 가득 채우고 잠수부를 열린 쪽이 아래로 가게 넣은 뒤, 병뚜껑을 꼭 닫습니다.
  4. 병 옆을 두 손으로 꽉 쥐며, 잠수부 속 공기 방울이 작아지는지와 잠수부가 가라앉는지를 봅니다.
  5. 손에서 힘을 빼 잠수부가 다시 떠오르는지 보고, 살살 쥐어 병 가운데쯤에 멈춰 세워 봅니다.
  • ⚠️ 어린이는 어른과 함께 하고, 지점토와 볼펜 뚜껑은 작은 동생이 입에 넣지 않게 다 쓴 뒤 바로 치웁니다.
  • ⚠️ 유리병은 쓰지 않고 플라스틱 페트병만 쓰며, 뜨거운 물은 넣지 않습니다.
  • ⚠️ 흘린 물은 바로 닦아 미끄러지지 않게 하고, 전기 제품 가까이에서 하지 않습니다.

누가 왜 찾았나

NASA 에 따르면 로버트 보일은 1600 년대 중반 갇힌 기체의 압력과 부피 사이의 관계를 연구했고, 온도가 같으면 압력과 부피를 곱한 값이 거의 일정하다는 것이 관찰되었습니다. 페트병 잠수부는 이 보일의 관계와, 잠긴 물체가 밀어낸 물의 무게만큼 떠받쳐진다는 아르키메데스 원리를 한 병 안에서 함께 보여 줍니다.

확인된 값

로버트 보일이 갇힌 기체의 압력과 부피 관계를 연구한 때 (1600 년대 중반)
1600 년대 중반 출처
온도가 같으면 압력 × 부피가 거의 일정 — 눌러 압력이 오르면 공기 부피가 준다
p · V ≈ 일정 출처
부력 = 밀어낸 물의 무게 (아르키메데스 원리)
부력 = 밀어낸 물 무게 출처
물의 밀도 (1 g/cm³)
1000 kg/m³ 출처

교육과정에서는

  • 한국 2022 · 과학(중학교) · 힘의 작용 [9과05-02]
  • 한국 2022 · 과학(중학교) · 기체의 성질 [9과06-02]

출처

이어서 보기

같은 단원 · 유체

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