풍선이 부풀면 터지는 원리는 무엇인가요?

Question

풍선에 바람을 계속 넣으면 부풀어오르다가 결국 터지는데요. 물리학적 관점으로 풍선이 터지게 되는 원리가 무엇인지 설명해주세요.

Answer 1

안녕하세요.

풍선이 부풀어 오르다가 터지는 현상을 이해하려면 물질의 탄성 한계, 내부 압력의 변화, 재료의 응력 분포에 대해 알아야 합니다. 풍선은 주로 고무나 라텍스와 같은 탄성을 지닌 재료로 만들어지며, 이 재료들은 외부에서 가해지는 힘에 의해 일정 정도 변형이 가능하고, 힘이 제거되면 원래의 상태로 돌아가려는 성질을 가지고 있습니다. 이를 탄성이라고 하며, 모든 재료는 이러한 탄성의 범위, 탄성 한계가 존재합니다.
풍선에 공기가 주입될 때 내부의 압력이 상승하게 되고, 이 압력은 풍선의 벽을 밀어내려 하면서 풍선의 재료를 팽창시킵니다. 초기에는 풍선 재료의 탄성 덕분에 압력을 견디고 형태를 유지할 수 있지만, 계속해서 공기가 주입되면 내부 압력이 증가하여 재료에 가해지는 응력도 커집니다. 풍선 벽의 어떤 부분이라도 그 부위의 응력이 재료의 파열 강도를 초과하게 되면, 풍선은 더 이상 압력을 견디지 못하고 그 지점에서 찢어지게 됩니다. 풍선이 파열되는 것은 이처럼 재료의 탄성 한계를 넘어서는 압력과 응력이 원인입니다.