안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
열기구가 하늘 위로 떠오르는 과학 원리는 공기의 열팽창에 따른 밀도 변화와 부력입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.
버너로 열기구 내부의 공기를 가열하면 공기 분자들이 열에너지를 얻어 움직임이 활발해지면서, 공기가 팽창하고 열기구 하단의 개포구를 통해 일부 공기가 밖으로 빠져나갑니다. 이로 인해 기구 내부의 부피는 일정하지만 공기 입자의 수가 줄어들어, 내부 공기의 밀도가 바깥의 차가운 공기보다 낮아지게 됩니다. 기체나 액체 속 물체는 그 물체가 밀어낸 유체의 무게만큼 위로 밀어 올리는 힘인 부력을 받게 되는데, 밀도가 낮은 열기구 내부 공기는 상대적으로 밀도가 높은 주변 차가운 공기 속에서 위로 밀려 올라가는 힘을 받게 됩니다. 이는 물 아래에 공기방울이나 튜브를 놓으면 위로 떠오르는 것과 같은 원리입니다.
열기구가 상승할 때는 버너를 가열해 부력이 열기구 전체 무게인 중력보다 크면 위로 올라가고, 정지할 때는 내부 공기 온도를 적절히 조절하여 부력과 중력이 같아지면 공중에 멈춰 섭니다. 그리고 하강할 때는 버너를 끄거나 상부 배기구를 열어 내부 공기를 식히면, 밀도가 다시 높아지고 부력이 줄어들어 중력에 의해 천천히 내려옵니다.