풍선에 진공을 채우면 뜨게 될까요?

 

어린이들은 종종 우리 성인들이 생각지도 못한 질문들로 우리를 놀라게 합니다. 특히 부모님이 집안일에 바쁘게 종사하고 있을 때, 그들의 끊임없는 호기심은 종종 우리의 일상에 활력을 불어넣기도 합니다. 이런 맥락에서 Reddit에서 한 사용자가 공유한 자신의 9살 아이의 질문이 매우 흥미롭습니다. 아이는 "헬륨이 공기보다 가벼워서 풍선이 하늘로 떠오르는 거라면, 아무 것도 없는 '진공'으로 채워진 풍선도 뜰까요?"라고 물었습니다. 이 질문은 간단해 보이지만, 사실 우리가 살고 있는 세계에 대한 이해를 깊게 해주는 매우 복잡한 원리들을 포함하고 있습니다. 그러니, 이 질문에 답하기 전에, 먼저 '헬륨 풍선이 왜 뜨는지'에 대한 기본적인 과학 원리부터 살펴봅시다.

 

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부력의 원리란?

 

우리 주변의 세계는 다양한 유체, 즉 액체와 기체로 이루어져 있습니다. 이 유체들 속에서 모든 물체는 '부력'이라는 힘을 받습니다. 부력이란 물체를 위로 밀어 올리려는 힘으로, 물체가 그 주변 매체(이 경우 공기)보다 가볍다면, 그 물체는 떠오르게 됩니다. 즉, 부력은 물체가 주변보다 가볍거나 같은 양의 물질보다 적은 무게를 가질 때 작용하는 상향 힘입니다.

 

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헬륨 풍선은 왜 하늘로 뜨나요?

 

헬륨은 대기 중 다른 가스들보다 훨씬 가벼운 원소입니다. 따라서 헬륨을 채운 풍선은 주변 공기보다 전체적인 무게가 가벼워집니다. 이 가벼운 헬륨 가스 덕분에 풍선은 주변의 더 무거운 공기를 밀어내고 부력에 의해 상승하게 됩니다. 이것이 바로 우리가 보는 헬륨 풍선이 하늘로 떠오르는 이유입니다.

 

 

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그렇다면 진공 풍선은 어떨까요?

 

진공이란 말은 '아무 것도 없는 공간'을 의미합니다. 공기도, 다른 어떤 것도 없는 상태죠. 이론적으로, 진공으로 채워진 풍선은 주변 공기보다 훨씬 가볍습니다. 왜냐하면, 그 안에는 아무것도 없으니까요. 따라서, 이론상 진공 풍선은 헬륨 풍선보다 더 높이 떠오를 수 있어야 합니다. 하지만 여기에는 한 가지 큰 기술적 문제가 있습니다.

 

 

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진공 풍선을 만드는 기술적 도전

 

진공 상태를 만들고 유지하기 위해서는, 주변의 대기압보다 훨씬 낮은 압력을 가진 공간을 만들어야 합니다. 그런데, 주변의 공기 압력이 진공으로 채워진 공간을 강하게 누르게 되므로, 이 공간을 유지하기 위해선 매우 강한 재료가 필요합니다. 현재로서는, 이런 조건을 만족시킬 수 있는 충분히 강하면서도 가벼운 재료를 찾기 어렵습니다.

 

 

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과학적 꿈과 진공 비행의 역사

 

진공을 이용한 비행은 오랜 역사를 가지고 있습니다. 예를 들어, 1690년에 프란체스코 라나-테르치는 진공 풍선을 이용해 하늘을 나는 배를 상상했습니다. 하지만, 그 당시에도, 그리고 지금도, 주변의 압력을 견딜 수 있는 충분히 강한 재료를 찾는 것이 큰 도전입니다. 이런 과학적 도전에도 불구하고, 진공 비행에 대한 꿈은 여전히 많은 과학자와 엔지니어들을 매료시키고 있습니다. 재료 과학의 발전으로 인해, 언젠가는 이런 꿈이 현실이 될 수도 있습니다. 이는 과학적 호기심이 어떻게 미래의 혁신으로 이어질 수 있는지 보여주는 사례 중 하나입니다. 어린이들의 호기심은 우리가 당연하게 여기는 것들에 대해 다시 한 번 생각해보게 만듭니다. 복잡해 보이는 이 질문들을 통해, 우리는 기본적인 과학 원리를 다시 발견하고, 앞으로 나아갈 방향을 모색하게 됩니다. 어쩌면, 이런 순수한 궁금증이 미래의 과학적 발견으로 이어질 수도 있습니다. 그들의 끝없는 호기심이 결국 우리의 상상을 현실로 만들어내는 날을 기대해봅니다.

 

 

VIA : iflscience