오렌지를 물에 넣으면 어떻게 될까?

방구석 과학실 : 껍질을 깐 오렌지와 그냥 오렌지 중 어느 것이 물에 뜰까?

오늘의 주인공은 오렌지입니다. 오렌지가 물에 들어가면 뜰지 뜨지 않을지 실험을 통해 알아볼 예정입니다. 오렌지 실험 얘기를 하려고 보니 영화 라이프 오브 파이의 한 장면이 생각납니다. 영화에서 주인공은 동물들과 함께 바다에 표류하게 되었을 때 오랑우탄이 바나나 더미를 타고 살아남았다고 이야기하는데요. 여기서 다른 사람들이 바나나는 물에 가라앉지 않나? 바나나가 어떻게 바다에 뜬다는 거지? 라고 얘기하며 주인공의 증언에 의문을 제기하는 부분이 나옵니다. 영화를 본 후 너무 궁금해서 집에 오자마자 욕조에 물을 받아 바나나를 넣어보았던 기억이 납니다. 결과는 바나나는 물 위에 떴습니다. 역시! 파이는 거짓말을 한 게 아니었군. 영화에서 파이는 믿기 힘들지만 아름다운 이야기와 잔혹하지만 좀 더 현실적인 이야기 두 가지를 들려주고 어느 이야기를 믿냐고 묻습니다. 바나나가 물에 떴으므로 아름다운 이야기를 믿기로 합니다. 이제 본론으로 돌아가서 오늘의 주인공은 바나나가 아니라 오렌지입니다.

실험 준비물

오렌지 두 개, 수조(오렌지가 들어갈 수 있는 크기의 그릇)

 

실험 방법

1. 껍질을 벗긴 오렌지 한 개, 껍질을 벗기지 않은 오렌지 한 개를 준비합니다.
2. 어떤 오렌지가 더 무겁게 느껴지는지 손으로 들고 잠시 무게를 가늠해 봅니다.
3. 물을 채운 수조에 오렌지 두 개를 동시에 집어넣습니다.
4. 어떻게 이런 결과가 나왔을지 얘기해 봅니다.

 

실험 원리

껍질을 깐 오렌지와 까지 않은 오렌지가 있습니다. 어떤 오렌지가 더 가벼울까요? 당연히 껍질을 깐 오렌지가 더 가벼울 것입니다. 무게로만 따진다면 더 무거운 오렌지가 아래로 가라앉을 것입니다. 그런데 결과는 어땠나요? 껍질을 벗긴 오렌지가 아래로 가라앉고, 까지 않은 오렌지는 물 위에 떴습니다. 밀도 때문에 그렇습니다.

물체를 물에 넣으면 기본적으로 아래로 잡아당기는 중력이 작용해 아래로 가라앉으려고 합니다. 반대로 물체를 위로 밀어 올리려는 힘인 부력도 있습니다. 물체가 물에 들어가면 부력과 중력을 동시에 받습니다. 물 아래로 잡아당기는 힘인 중력보다 반대 방향으로 물체를 밀어 올리려는 힘인 부력이 더 크면 물 위에 뜨게 됩니다. 물체가 받는 중력이 부력보다 크면 물체는 가라앉고, 부력이 중력보다 크면 물체가 물 위에 뜹니다.

아르키메데스가 왕관이 순금으로 만들어졌는지 확인하라는 명령을 받은 후 물이 가득 찬 욕조에 들어갔을 때 물이 넘치는 것을 보고 깨달음을 얻어 “유레카!”라고 외친 것에서 부력의 역사가 시작되었습니다. 부력은 물체가 물속에서 차지하는 부피만큼의 물 무게와 같습니다. 중력의 크기는 물체의 무게와 같습니다. 이러한 원리는 아르키메데스의 원리라고도 불립니다.

물체의 밀도가 물보다 작으면 뜨고, 물보다 크면 가라앉습니다. 밀도는 질량을 부피로 나눈 것입니다. 같은 질량일 때 부피가 클수록 밀도는 작아집니다. 껍질을 깐 오렌지는 물보다 밀도가 커서 물 아래로 가라앉습니다. 껍질을 까지 않은 오렌지는 부피가 크기 때문에 밀도가 물보다 작아서 물 위에 뜨는 것입니다.

 

실험 시 참고하면 좋은 사항

오렌지가 아닌 귤로 실험해도 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

어린이와 함께 실험할 때 무거운 오렌지가 당연히 가라앉을 것 같다고 얘기한다면 선박과 같은 무거운 물체는 어떻게 물 위에 떠 있을 수 있는지 함께 얘기하며 고민해 보면 좋습니다. 선박의 밑면은 부력을 많이 받을 수 있도록 넓게 만들고 배 안에는 빈 공간을 많이 두어서 밀도를 낮춥니다. 밀도와 부력의 원리가 합쳐져서 무거운 선박도 물 위에 안정적으로 떠 있을 수 있습니다.

계곡물에 수박을 담가본 적이 있나요? 오렌지보다 훨씬 무거운 수박도 물 위에 뜹니다. 수박의 밀도가 물의 밀도보다 작기 때문입니다. 같은 원리로 포도는 물에 넣으면 가라앉습니다. 부피에 비해 질량이 크기 때문입니다. 집에 있는 여러 종류의 과일로 이 과일은 물에 넣었을 때 뜰 것 같은지 가라앉을 것 같은지 얘기해 본 후 직접 실험해 보세요. 물에 가라앉는 과일은 물보다 밀도가 크고, 물 위에 뜨는 과일은 물보다 밀도가 작은 것입니다.

여담으로 바나나를 물에 넣었을 때 물속으로 가라앉는 경우도 있다고 합니다. 바나나의 수분이 줄어들면 부피도 줄어들면서 밀도가 높아지기 때문에 바나나의 상태에 따라서 물에 뜨거나 가라앉을 수 있습니다.