기압 차이를 이용한 아이 장난감, 구멍을 더 뚫으면?

Question

안녕하세요.

아이가 어린이집에서 사진과 같은 장난감을 가져왔습니다.

위에는 구멍이 1개가 뚫려있고, 아래에는 구멍이 4개가 뚫려 있습니다.

위 구멍을 통해 물을 넣으면 아래에서 물이 나옵니다. 이 중 위 구멍을 막으면 아래로 나오던 물이 멈추게 됩니다.

1. 위 구멍을 막으면서 장난감 안과 밖 사이의 기압차가 발생하는데 이 기압차(어떤 곳이 높고 낮은지)를 자세히 알고 싶습니다.

2. 현재 장난감은 구멍이 4개인데 문득 이 구멍이 몇개까지 있을 때, 위를 막았을 때 물이 안 나오게 되는지 궁금하더군요. 극단적으로 아래에 모두 구멍을 내버리면 당연히 위를 막아도 물이 쏟아지게 됩니다. 혹시 이 구멍을 몇 개까지 소화할 수 있을지도 알 수 있는 과학적 방법이 있을까요?

3. 1번과 2번 질문의 연장에서 기압차뿐만 아니라 물의 인력과도 관련이 있는지 궁금합니다. 구멍이 뚫려 있어도 중력은 작용할텐데 여기에 기압과 더불어 물이 서로 붙어 있으려고 하는 인력도 관계가 있을까요? 가령 구멍을 4개보다 더 많이 뚫더라도 밖에 기압과 안에 기압은 똑같을 것 같은데 그렇다면 물 분자끼리 인력이 작용하여 구멍이 4개일 때는 그 인력이 더 크지만 구멍이 더 많이 뚫릴수록 인력보다 중력이 강하게 작용하여 물이 흘러내리는 것으로 이해할 수 있을까요?

질문이 장황한데 질문을 이해하실 수 있을까요?

아이 장난감을 보며 많은 것이 궁금해지는군요.^^

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Answer 1

안녕하세요. 박정철 과학전문가입니다.

1. 위 구멍을 막으면서 장난감 안과 밖 사이의 기압차가 발생합니다. 구멍이 막히면 위쪽 공간에서는 압력이 상승하고, 아래쪽 공간에서는 압력이 낮아집니다. 이로 인해 장난감 안과 밖의 기압 차이가 형성됩니다. 구체적으로 어느 쪽이 높은 압력인지, 어느 쪽이 낮은 압력인지를 자세히 알기 위해서는 해당 장난감의 내부와 외부 환경에 대한 상세한 정보가 필요합니다.

2. 몇 개의 구멍까지 있을 때 물이 나오지 않게 되는지를 결정하는 요소는 여러 가지입니다. 주요 요소 중 하나는 각 구멍의 지름입니다. 작은 지름을 가진 구멍일수록 물의 흐름을 제한할 수 있습니다. 따라서, 일정 크기 이상의 구멍을 가진 경우에도 위를 막으면 물 흐름을 멈출 수 있습니다. 구체적인 숫자나 방법은 해당 장난감의 디자인, 소재, 내부/외부 환경 등에 따라 다르므로 일반적인 과학적 방법으로 정확하게 예측하기 어렵습니다.

3. 기압 차와 관련하여 물 분자 간 인력은 중요한 역할을 하지 않습니다. 기압 차에 의해 생성된 힘이 주로 작용하고, 중력은 모든 물체에 일정한 방향으로 작용하는 것입니다. 구멍 수가 증가함에 따라 중력과 인력 사이에서 영향관계를 생각할 때, 인접한 분자들 간에 서로 작용하는 분자 간 인력보다 중력이 훨씬 큰 영향을 줍니다. 따라서 구멍 수가 증가함에 따라 중력만큼 커질 가능성보다는 오히려 기압 차와 관련된 힘이 우세해져서 물은 아래로 흘러내리게 됩니다.