물에 잠긴 물체가 받는 부력의 크기를 결정하는 것은?

아르키메데스의 원리에 따라 물에 잠긴 물체는 자신이 밀어낸 물의 무게만큼 위로 밀어 올리는 부력을 받는다. 따라서 몸이 깊이 잠길수록 밀어내는 물의 양이 늘어 체중부하가 줄어들며, 잠긴 깊이에 따라 체중부하를 단계적으로 조절할 수 있다.

아르키메데스의 원리와 부력의 크기

물속에서 체중부하가 줄어드는 현상은 수중 재활의 가장 큰 장점입니다. 이 문제는 그 부력이 무엇에 의해 정해지는지, 즉 아르키메데스의 원리(Archimedes principle)를 묻습니다. 환자의 체중부하 허용 정도에 맞추어 수심을 정하는 임상 판단의 물리적 근거이기도 합니다.

정답은 보기 5번 물체가 밀어낸 물의 무게입니다. 아르키메데스의 원리는 유체 속에 잠긴 물체가 받는 부력의 크기가 그 물체가 밀어낸 유체의 무게와 같다는 법칙입니다. 몸이 물에 더 많이 잠기면 밀어내는 물의 부피가 늘어나 그만큼 부력이 커지고, 중력과 반대 방향으로 작용하여 체중부하를 줄여 줍니다. 부력은 물체의 재질이나 모양이 아니라 밀어낸 물의 양, 그리고 물의 밀도에 의해 결정됩니다.

보기별 해설

1번: 물체 자체의 무게 — 물체가 무거운지 가벼운지는 뜨느냐 가라앉느냐를 판단할 때 부력과 비교하는 값이지, 부력의 크기를 정하지는 않습니다. 같은 부피의 쇳덩이와 스티로폼이 받는 부력은 같습니다.

2번: 물체가 가진 표면적 — 표면적이 넓다고 부력이 커지지 않습니다. 부력은 잠긴 부피에 의해 정해지므로 표면 넓이 자체와는 관계가 없습니다. 표면적은 물의 저항(항력)과 관련됩니다.

3번: 물이 지닌 온도 — 온도는 물의 밀도를 아주 조금 바꿀 수 있지만 부력의 크기를 정하는 기준이 아닙니다. 온도는 열 효과와 혈관 반응을 설명하는 변수입니다.

4번: 물체 표면의 색깔 — 색은 빛의 흡수와 반사에 영향을 줄 뿐 부력과는 아무 관련이 없습니다. 물리적으로 부력의 결정 요인이 될 수 없는 보기입니다.

임상 적용 관점

환자의 체중부하를 단계적으로 늘릴 때 수심을 조절합니다. 물이 목까지 차오르면 체중부하가 크게 줄고, 가슴, 허리, 무릎 높이로 낮아질수록 체중이 점점 더 실립니다. 이를 이용해 골절이나 수술 후 환자가 부분 체중부하 보행을 안전하게 연습하도록 돕습니다. 또한 부력은 위로 떠오르는 힘이므로 아래로 움직이는 동작은 도와주고 위로 움직이는 동작은 저항이 됩니다.

이 원리는 물속 체중 감소 정도를 가늠하는 데도 이어집니다. 사람의 몸 밀도는 물과 비슷해서 몸 대부분이 잠기면 거의 떠오르는 상태가 되고, 폐에 공기가 많이 차 있으면 더 쉽게 뜹니다. 물이 허리 높이에 있을 때와 가슴 높이에 있을 때 체중부하가 다르다는 사실도 모두 몸이 밀어내는 물의 양이 달라지기 때문입니다. 부력이 크면 도움이 되기도 하지만 균형 잡기가 어려워질 수 있어 환자의 안정성을 함께 확인합니다.

정리하면 부력은 물체가 밀어낸 물의 무게와 같다는 아르키메데스의 원리로 결정되므로 정답은 5번입니다.