가벼운 나무토막은 물에 뜨지만, 돌멩이는 물 아래로 가라앉습니다. 공기 중에서 아래로 떨어지는 나무토막이 물에서는 위로 떠오릅니다. 이를 보면 나무토막이 물에 있으면 위로 어떤 힘을 받는 것으로 보입니다. 물 밖에서는 동전이 빠르게 떨어지지만 물속에서는 천천히 가라앉는 것과 마찬가지입니다. 나무토막이든 동전이든, 공기 중에 있을 때와 비교하면 물 속에서는 어떤 힘이 물체를 위로 밀어 올린다는 것을 알 수 있습니다. 바로 ‘부력’이라 부르는 힘입니다. 투명한 컵에 물을 가득 담고 물의 중간 부분을 봅시다. 그곳에 있는 물덩어리가 어느 방향으로 움직일 리 없습니다. 그럼 이제 상상력을 발휘해 생각만으로 진행하는 사고실험을 해볼까요? 방금 바라본 컵 안 물 가운데 부분의 물덩어리가 얇은 풍선 같은 막으로 둘러싸여 있다고 상상해 봅시다. 질량도, 두께도 없는 풍선이 물덩어리를 감싸고 있습니다. 이렇게 상상의 풍선이 물덩어리를 사방에서 감싸고 있어도 당연히 풍선과 물덩어리는 제자리에 가만히 머뭅니다. 상상의 풍선이 감싸고 있는 상상의 물덩어리 전체에 작용하는 힘을 생각해 봅시다. 물덩어리 전체에는 중력이 아래로 작용하는 것이 분명합니다. 하지만 이 물덩어리는 제자리에 가만히 머물러 있습니다. 그렇다면 물덩어리 전체에 작용하는 중력과 정확히 같은 크기의 어떤 힘이 위로 작용하고 있죠. 상상의 풍선을 둘러싸고 있는 것은 물 밖에 없습니다. 결국, 풍선 밖에 있는 물이 이 물덩어리를 위로 밀고 있다는 것을 이해할 수 있습니다. 바로 이 힘이 부력입니다. 물덩어리에 작용하는 부력은 물덩어리에 작용하는 중력과 정확히 같습니다. 부력과 중력의 크기는 같지만 방향은 반대입니다. 상상만으로 진행하는 부력 사고 실험을 조금 더 진행해 보죠. 앞서 생각한 풍선의 크기와 모양은 그냥 그대로 유지합니다. 하지만 풍선 안의 물을 제거해 그 안에 아무것도 없는 상황을 생각해 봅시다. 현실이라면 바람 빠진 풍선처럼 변해서 풍선의 부피가 그대로 유지될 리 없습니다. 하지만, 우리가 상상한 풍선은 그 안에 아무것도 없어도 원래의 모습과 크기를 유지한다고 가정합시다. 이렇게 물 속 상상의 풍선 안을 모두 비우면 어떻게 될까요? 풍선 안에는 이제 아무것도 없으니 중력은 없습니다. 하지만 풍선 밖 물이 풍선을 위로 미는 부력은 여전히 존재합니다. 풍선은 위로 떠오를 것입니다. 앞에서 비운 풍선 안에 물이 아닌 다른 물질을 정확히 같은 부피만큼 채우면 어떨까요? 예를 들어 만약 풍선 안이 금속인 철로 가득 차 있다고 상상해 봅시다. 이 철덩어리에는 아래로 중력이 작용하고, 철덩어리의 밖의 물은 부력을 만들어 철덩어리를 위로 밉니다. 풍선 안에 물이 담겼든, 아무것이 없든, 아니면 철로 가득하든 부력은 같다는 것이 중요합니다. 풍선 밖 물은 풍선 안에 무엇이 들어있든 위로 미는 힘인 부력을 똑같은 크기로 만들어냅니다. 물 속 철덩어리에는 이 덩어리의 무게에 해당하는 중력이 아래로, 부력이 위로 작용합니다. 물에 담긴 철덩어리가 물로 바뀌었을 때의 물의 무게와 같은 크기입니다. 철보다 물이 밀도가 작으니, 결국 물 속 철덩어리의 무게는 물밖보다 작습니다. 실제 무게가 줄어드는 것이 아니라, 물속에서 철덩어리가 받는 중력의 일부를 부력이 상쇄시키기 때문이죠. 물에 잠겨 있는 물체에 작용하는 부력은 같은 부피 물의 무게와 동일한 크기입니다. 부력은 잠긴 물체의 부피에만 관련되며 그 물체가 철이든, 구리든 상관없습니다. 물고기는 부력을 이용하는 대표적인 생명체입니다. 물고기 몸에는 부레라는 작은 풍선 같은 기관이 있습니다. 물고기가 부레의 부피를 늘리면 부력이 커져서 물 위로 떠오르고, 부레의 부피를 줄이면 부력이 줄어서 물 아래로 내려갈 수 있습니다. 물고기가 위로 떠오르거나, 아래로 가라앉지 않고 수면으로부터 일정한 깊이를 유지하고 있다면 물고기에 작용하는 부력과 중력의 합이 정확히 0이라는 뜻입니다. 물고기가 같은 깊이에서 가만히 머물 때 물고기는 무중력을 경험합니다. 컵 안에 물과 얼음을 넣고 바라보세요. 수면에 떠 있는 얼음 조각을 숟가락으로 살짝 아래로 밀면, 얼음이 물속에 잠긴 부피가 늘어나 얼음 조각을 위로 미는 부력이 커집니다. 아래로 살짝 밀고 있다가 숟가락을 떼면 얼음 조각은 다시 위로 떠오르죠. 그렇다고 해서 얼음 조각이 물 밖으로 솟구쳐 탈출하지는 않습니다. 얼음 조각이 위로 떠오르면서 물에 잠긴 부피가 줄어 부력의 크기가 줄어들기 때문입니다. 숟가락으로 살짝 민 얼음조각은 수면 위아래로 움직임을 몇 번 반복하다가 저절로 평형위치에 도달해 가만히 그곳에 머뭅니다. 물에 뜬 얼음 전체의 무게가 물에 잠긴 부분의 물의 무게와 같을 때 얼음 조각은 평형 위치에 도달합니다. 그럼 얼음은 물 위에 가만히 동동 떠있게 됩니다. 부력은 우리 일상 가까이에서 발견할 수 있는 힘입니다.