뒤집힌 컵 내부로 물이 들어오지 않는 과학적 원리는 무엇인가요?

Question

물이 가득 담긴 대야에 유리컵을 뒤집은 상태로 수직으로 눌러 넣어도 컵 내부 상단에는 물이 들어오지 않아 휴지가 젖지 않는다고 하네요. 뒤집힌 컵 내부로 물이 들어오지 않는 과학적 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

뒤집힌 컵 내부로 물이 들어오지 않는 과학적 원리는 공기의 부피와 내부 기압과 수압의 평형 때문입니다. 눈에는 컵 안이 비어 있는 것처럼 보이지만, 사실 컵 내부 공간은 공기 분자들로 이미 빽빽하게 채워져 있습니다. 공기도 엄연히 부피와 질량을 갖는 물질이므로, 공기가 빠져나가지 않는 한 물이 들어설 공간이 없습니다.

컵을 수직으로 곧게 뒤집어 물속으로 누르면 컵 입구가 물에 막히면서 내부 공기가 밖으로 빠져나갈 통로가 완전히 차단되고, 외부 수압이 물을 컵 안으로 밀어 올리려 하지만, 갇힌 공기 분자들이 더 이상 물러설 곳이 없어 서로 뭉치며 수압에 대항하는 반대 방향의 압력을 만들어냅니다. 기체의 부피와 압력은 서로 반비례하기 때문에 물속으로 들어갈수록 수압에 의해 공기 부피가 미세하게 줄어들며 물이 입구 쪽으로 아주 조금 올라옵니다. 하지만 공기 부피가 줄어들수록 컵 내부 공기의 압력은 반대로 높아져 컵 내부의 공기 압력이 외부 수압과 같아지는 평형 상태에 도달하면서 물의 상승이 멈춥니다.

일반적인 대야 수심 정도의 얕은 깊이에서는 수압이 약해 공기의 부피 변화가 거의 없으므로, 물이 컵 상단까지 도달하지 못해 바닥에 붙여둔 휴지가 젖지 않고 보송보송하게 유지됩니다.