헬륨풍선이 공중에 뜨는 원리가 궁금합니다
안녕하세요. 헬륨풍선은 공중에 뜨잖아요. 만약 놓치면 하늘로 날아버리기도 하고요. 이렇게 헬륨풍선만 공중에 뜨는 원리가 무엇인가요
안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.
우리가 느끼지 못해도 공기의 무게가 있습니다. 그 공기의 무게보다 헬륨이 훨씬 가볍습니다.
수영놀이용 튜브가 무게가 있지만 그 튜브 안에 채워진 공기가 물보다 훨씬 가볍기 때문에 부력이 발생해서
그 부력만큼 떠오르는 것과 마찬가지 입니다.
헬륨은 공기보다 훨씬 가볍습니다. 그래서 풍선의 무게까지 포함되어도 가볍기 때문에 뜨는 것입니다.
일상 생활에서는 헬륨 풍선이 더 가벼워서 그렇다고 하면 답이 될지 모르겠지만, 물리시간에는 그 대답이 틀린 대답이 됩니다. 1kg 의 쇠공과 2kg 의 나무 중 더 가벼운 것은 쇠공입니다. 그런데, 물속에 넣으면 쇠공은 물에 가라앉지만, 보통의 나무는 물에 뜹니다. 물에 뜨거나 가라앉는 것은 가볍고 무거운 무게차이(중력의 차이)가 아니라, 중력과 부력의 차이 때문입니다. 이 차이는 밀도의 차이 때문에 생깁니다. (부력 참조)
밀도라는 어려운 용어를 쉽게 바꿔쓰면 부피당 질량입니다. 같은 부피를 가졌을 때 질량을 비교하기 위한 개념입니다. 쇠공과 나무를 같은 부피만큼 준비한다면 쇠공보다 나무가 더 가볍습니다. 같은 부피의 물보다 더 가볍다면 그 물체는 물에 뜨게 됩니다. 다시 어려운 말로 바꾸면 쇠공의 밀도가 물의 밀도보다 크고, 나무의 밀도보다는 작다는 말로 표현할 수 있습니다.
헬륨풍선의 밀도와 입으로 분 풍선의 밀도을 공기의 밀도를 비교하면 헬륨풍선의 밀도가 공기의 밀도보다 작아서 하늘 높이 뜨는데 비해, 입으로 분 풍선의 밀도는 공기의 밀도보다 커서 가라앉게 됩니다. 물에 뜨고 가라앉는 문제와 똑같이 공기에 대해서도 부력을 생각할 수 있고, 부력으로 설명하면 됩니다. 물리시간에 부력을 배울때 기체에 대해서도 똑같이 적용하면 된다고 말만했지 시험 문제로는 안 나오니까 이 사실을 잊었을지도 모르겠군요.
쉬운 말로 바꿔쓰면 헬륨풍선이 공기보다 부피에 비해 더 가볍기 때문에 하늘을 떠올라갑니다. 일상적으로 하는 말속에는 ‘부피에 비해’란 말이 빠져 있는 것입니다.헬륨 풍선이 하늘에 뜨는 이유는 헬륨이 가볍기 때문입니다.
공기 중에는 여러 기체들이 있는데 이 공기의 밀도보다 가벼운 것은 위로 올라가게 됩니다.
헬륨이 아니더라도 가벼운 기체라면 다 공중에 뜨게 됩니다.