다이빙 이론에 적용되는 물리 법칙

[DH-OCEAN]

 

물속 환경은 지상과는 다르지만 물리적인 법칙이 작동되는 일종의 자연환경이다.다이버라면 안전한 다이빙을 위해서 물속에서 적용되는 몇 가지 물리적인 법칙을 알아두면 좋을 것이다.

보통 수면의 압력은 대기압과 같은 1기압이지만, 수심이 10m씩 깊어질수록 1기압씩 높아지게 된다. 즉 수심 10m에서는 2기압의 압력이, 20m에서는 3기압의 압력이 작용하게 된다. 스쿠버다이빙에는 산소가 약 21%, 질소가 약 78%의 비율로존재하는 공기를 압축한 공기탱크가 사용되는데, 수심에 따라 호흡하는 공기의압력이 달라진다. 이는 곧 호흡과도 연결되기 때문에 수심에 따른 압력 정도와 기체 부피에 대한 관계를 이해해야 안전한 스쿠버다이빙을 할 수 있다.

1. 아르키메데스의 원리(Princes of Archmedes)

어떠한 물체를 유체에 넣었을 때 그 물체가 받게 되는 부력의크기는 물에 잠긴 물체의 부피에 작용하는 중력과 동일하다.

2. 보일의 법칙(Boyle's Law)

일정한 온도에서 일정 질량을 갖는 기체의 압력과 부피는반비례한다.

3. 샤를의 법칙(Charles's Law)

일정한 압력하에서 기체의 부피는 절대온도에 비례한다.

4. 달톤의 법칙(Dalton' Law

혼합기체의 압력은 성분기체의 부분압의 합과 같다.

5. 헨리의 법칙(Henry's Law)

일정한 온도에서 액체에 녹아 들어가는 기체의 양은 그 기체의 압력에 비례한다.

1. 아르키메데스의 원리(Princes of Archmedes)

어떤 물체를 유체에 넣었을 때 받는 부력의 크기가, 물체가 유체에 잠긴 부피만큼의 유체에 작용하는 중력의 크기와 같다.

F=ρVg

여기에서 F는 부력의 크기, ρ는 유체의 밀도, V는 물체의 잠긴 부분의 부피,g는 중력가속도 9.8m/s²를 나타낸다.

아르키메데스가 목욕탕에서 부력의 원리를 깨닫고는 알몸으로 튀어나와 ‘유레카!’라는 말을 했다는 일화는 유명하다. 유레카(Eureka)는 뜻밖의 발견을했을 때 외치는 단어이다. 이때 아르키메데스가 발견한 부력의 원리를 아르키메데스의 원리(Princes of Archmedes)라고 칭한다.

아르키메데스의 원리는 기체나 액체로 이루어진 유체에 물체가 완전히 잠기거나 혹은 일부분이 잠겨 정지하고 있으면 물체가 밀어낸 유체의 무게만큼 힘이 위로 작용한다. 물체가 밀어낸 유체의 부피는 유체에 잠긴 부분의부피와 같다. 이때 물체가 밀어낸 유체의 무게만큼 위로 작용한 힘을 부력(buoyancy)이라 한다. 부력의 크기는 물체가 잠긴 부분의 부피에 해당하는유체의 질량과 같다.

질량은 물질이 가지고 있는 고유한 양을 일컫는 말이고, 밀도는 일정한 부피에 해당하는 물질의 질량을 나타낸다(밀도=질량/부피). 비중은 특정 물질의질량과 같은 부피의 표준물질의 질량과의 비율이다. 고체와 액체의 경우 일반적인 표준은 4℃의 물이다. 물의 밀도는 4℃에서 1g/㎤이다. 

백금이나 납과 같이 물보다 비중이 큰 물질은 물에 잘 가라앉고, 나무나 고무와 같이 물보다 비중이 낮은 물질은 물에 잘 뜬다. 참고로 인체의 비중은거의 1.0에 가깝다. 
 

 

다이빙과의 관련성

바닷물에서 가라앉으려는 성질을 음성부력(Negative Buoyancy)이라 하고,뜨려고 하는 성질을 양성부력(Positive Buoyancy), 바닷물과 비중이 거의같아 뜨거나 가라앉지 않는 중립상태를 중성부력(Neutral Buoyancy)이라고 한다. 다이버가 슈트와 BC를 착용하면 양성부력이 되어 수중으로 들어가기 힘들다. 그래서 약간의 음성부력을 만들기 위해 웨이트(weight)를 추가로 착용한다. 이때 웨이트로 백금이나 금을 사용하면 부피를 가장 작게 할수 있어 최선이지만 가격이 너무 비싸기 때문에 사용하기 곤란하다. 실제다이빙에서는 가격, 부피, 녹이 쓰는 문제 등을 고려하여 가장 합리적인 물질인 납을 사용하는 것이다.

다이빙에서 적당한 웨이트를 착용해야 하는 이유

사람의 몸은 거의 비압축성이고, 물과 비중이 비슷하므로 맨몸일 때에는 거의 중성부력의 상태로 가변적인 공기공간인 폐의 크기, 숨을 얼마나 들이켜있는가에 따라 뜨거나 가라앉게 된다. 그러나 슈트와 BC를 비롯한 여러 가지 장비들로 인하여 부력은 바뀌게 된다.

그래서 다이빙은 필요한 만큼 웨이트를 착용해야 한다. 너무 가벼운 웨이트를 착용하면 하강 자체가 힘들고, 억지로 다이빙을 하게 되면 수면 근처에서 안전정지를 할 때 위험한 경우가 발생한다. 반대로 너무 무거운 웨이트를착용하면 초과한 무게로 인해 BCD에 공기를 그만큼 더 넣어야 하고 이로써다이버가 물의 저항을 더 받게 되어 킥을 하는데 에너지를 크게 낭비하게 된다. BCD에 많은 공기를 넣고 다이빙을 하게 되면 수심의 변화에 따라 부력의 변화도 그만큼 커지게 되어 중성부력을 위해 BCD에 공기를 넣고 빼기를자주 하게 된다.
 

2. 보일의 법칙(Boyle's Law)

일정한 온도에서 일정 질량을 갖는 기체의 압력과 부피는 반비례한다.

PV = k

여기에서 P는 기체의 압력, V는 기체의 부피, k는 비례 상수를 나타낸다. 비례 상수 k는 기체의 종류와 온도에 따라 다르며, 이러한 조건들이 고정되면k의 값도 일정하다.

이 법칙은 일정한 온도에서 기체의 수축과 팽창에 대한 관계를 정의한 것으로 보일(Boyle)에 의해서 1662년에 공식화되었다. 이 법칙은 이상기체를 가정한 기체분자운동론으로부터 유도할 수 있다. 실제의 기체들은 아주 낮은압력에서 보일의 법칙을 따른다. 그러나 압력이 높아지면 PV의 값은 일반적으로 조금씩 감소한다.

이 관계는 1676년 프랑스의 물리학자 에듬 마리오트(Edme Mariotte)에 의해서도 발견되었다. 유럽에서는 보일-마리오트의 법칙이라고 한다. 
 

다이빙과의 관련성

이 법칙을 다이빙 이론에 적용하면 압력을 수압으로 바꿀 수 있다. 보통 수면의 압력은 대기압과 같은 1기압이지만, 수심이 10m씩 깊어질수록 1기압씩높아지게 된다. 즉 수심 10m에서는 2기압의 압력이, 20m에서는 3기압의 압력이 작용하게 된다. 다이버가 수중에서 호흡하면 호흡하는 공기의 압력은주변압과 같다. 즉 수심 10m에서 호흡하면 2기압의 공기를 흡입하고, 20m에서 호흡하면 3기압의 공기를 흡입한다. 결국 수심이 깊어질수록 다이버가한 번에 더 많은 양의 공기를 소비하게 된다. 그러므로 다이버가 똑같은 양의공기탱크를 가지고 물에 들어가도 수심에 따라 다이빙 가능 시간이 달라지게된다. 이 때문에 다이빙을 할 때는 수심에 따라 소모되는 공기의 양이 달라지므로 깊은 수심에서는 잔압 게이지를자주 확인해야 한다.

그리고 다이버가 수심이 깊은 곳으로하강하면 BC내의 공기 부피가 줄어든다. 그래서 BC에 공기를 조금씩 넣어야 중성 부력이 유지된다. 반대로 상승할 때 BC에서 공기를 조금씩 빼지 않고 상승하면 공기 부피가 늘어나 부력이 너무 커지기 때문에 상승속도 조절이 힘들어진다. 

3. 샤를의 법칙(Charles's Law)

일정한 압력 하에서 기체의 부피는 절대온도에 비례한다.

V1/T1 = V2/T2

온도는 기체의 압력과 부피에 영향을 준다는 이론이다. 샤를의 법칙은 일정한 압력하에서 기체의 부피는 절대온도에 비례한다는 것이다.

보일-샤를의 법칙(Boyle-Charle's law)은 온도, 부피, 압력의 3가지 요소가서로 상호작용한다. 보일의 법칙은 일정한 온도에서 압력과 부피, 샤르의 법칙은 온도의 변화에 따른 압력과 부피의 상호작용에 관한 것이다.

예를 들면, 공기가 들어있는 풍선을 차가운 드라이아이스 박스 안에 있으면작아지고 박스 밖의 따뜻한 공기 속으로 나오면 풍선이 다시 부풀어 오르는것이다.

다이빙과의 관련성

공기탱크를 햇빛에 오래 놓아두면 온도가 올라가서 공기탱크의 압력이 커진다. 입수직전에 잔압게이지를 보면 공기가 많은 것으로 보이지만 입수후에 게이지를 다시 보면 잔압이 갑자기 많이 줄어든 것을 볼 수 있다. 그이유는 입수하면 공기탱크가 바닷물에 의해 온도가 낮아져서 공기의 압력이 작아지기 때문이다.

같은 양을 채운 공기탱크를 뜨거운 곳에 보관한 공기탱크와 시원한 곳에보관한 공기탱크는 잔압게이지의 잔압표시가 다르다는 것을 알아야 한다.그 이유는 뜨거운 곳에 두면압력이 높아지기 때문이다.또한 열대지방 다이빙에서는공기탱크를 오래 방치할 때햇빛에 노출되지 않는 그늘에두어야 한다.

섭씨 1도가 올라가면 9psi씩증가하게 된다. 물론 압력이변하지 않는 개방상태라면 정비례하여 부피가 팽창한다. 
 

4. 달톤의 법칙(Dalton' Law)

 

혼합기체의 압력은 성분기체의 부분압의 합과 같다.

P = Pg1 + Pg2 + Pg3

여기서 P는 절대 압력, Pg는 각 기체의 부분 압력이다.

육상에서 우리가 마시는 공기의 성분은 질소(N2)가 78.03%, 산소 O2가20.99%, 기타 성분이 0.98%이다. 일반적으로 산소 21%, 질소 79%라고한다.

달톤의 법칙에 의하면, P총합 = P산소 + P질소이다.

수면 압력에서 1.0ata = 0.21ata + 0.79ata이란 공식이 성립된다.

다이빙과의 관련성

평균적으로 사람은 산소의 부분압이 1.4ata의 공기로 호흡하면 산소중독이온다. 산소 21% 일반적인 공기를 수심 56m에 가서 호흡하면 산소 부분압이1.4ata가 되므로 산소중독이 오는 것이다. 그러나 일반 펀 다이빙에서는 40m가 한계수심이기 때문에 산소중독을 신경 쓰지 않고 다이빙을 하는 것이다.그러나 나이트록스 다이빙에서는 다르다. 나이트록스(EANx) 다이빙은 질소의 비율을 감소시키고 산소 비율을 높여 무감압한계시간을 늘릴 수 있게 해주며, 이 때문에 펀 다이버들에게는 엄청나게 인기를 얻고 있다.

만약 36%의 산소가 포한된 가스를 사용한다면수면에서 1.0ata = 0.36ata(O) +0.64(N)이다.1.4ata / 0.36ata = 3.89ata이므로 수심 28.9m에서 산소중독이 올 수 있다.

만약 32%의 산소가 포한된 가스를 사용한다면수면에서 1.0ata = 0.32ata(O) +0.68(N)이다.1.4ata / 0.32ata = 4.38ata이므로 수심 약 33.8m에서 산소중독이 올 수있다. 

결론적으로 36% 산소를 포함한 가스로 다이빙을 한다면 수심 28.9m 아래로 가서는 안되며, 32% 산소를 포함한 가스로 다이빙을 한다면 수심 33.8m아래로 가서는 안된다.

 

5.  헨리의 법칙 (Henry's Law)

일정한 온도에서 액체에 녹아 들어가는 기체의 양은 그 기체의 압력에 비례한다.

P = kㆍc

P(atm)는 기체의 분압, c(mol/L)는 기체의 용해도이다. 여기서 k를 헨리상수라 하고, 단위는 L·atm/mol이다. 헨리상수 k가 일정한 경우에 분압 P와용해도 c와의 사이에 비례관계가 존재한다. 

헨리의 법칙은 온도가 일정할 때, 기체의 용해도는 기체의 부분압에 비례한다는 것이다. 사실 기체가 아닌 액체나 고체라면 압력을 높인다고 해서용해도가 높아질 수가 없다. 일반적으로 액체나 고체는 압력에 의한 부피변화가 거의 없다. 하지만 기체는 압력에 따라 부피 변화가 크게 되고, 따라서 압력이 높아지면 그에 따라 용해도도 높아진다. 압력이 높아지면 기체의 용해도가 증가하는 이유는 명백하다. 압력이 높을수록 같은 부피에더 많은 수의 기체분자가 존재할 것이고, 그렇다면 액체의 표면과 접촉할기회가 더 많으므로 용해도가 그만큼 높아질 것이다.

헨리의 법칙을 요약하면 액체에 녹아있는 기체의 총량은 기체의 부분압에비례한다고 할 수 있다. 이는 주변 압력이 높을수록 액체에 더 많은 기체가 용해될 수 있다는 것을 의미한다. 

다이빙과의 관련성

보통 수면의 압력은 대기압과 같은 1기압이지만, 수심이 10m씩 깊어질수록 1기압씩 높아지게 된다. 즉 수심 10m에서는 2기압의 압력이, 20m에서는 3기압의압력이 작용하게 된다. 다이빙 중에 수심이 깊어질수록 다이버는 고압축의 공기(산소+질소)를 마시게 된다. 이런 고압축의 질소(기체)는 헨리의 법칙에 따라 신체의 혈액(액체)에 녹아들게 된다.

다이버가 수중에서 호흡을 하게 되면 레귤레이터(호흡기)는 주변의 주변압과 동일한 압력으로 공기를 공급하므로 우리는 주변압과 같은 압력의 공기를 마시는 것과 같다. 가령 다이버가 수심 20m에서 호흡기를 통하여 호흡을 하게 되면그 다이버의 폐속의 공기압(총 기압)은 해수면보다 3배인 3atm이 된다. 수심이깊을수록 주변압은 높아지므로 결국 기체는 다이버의 체내에 더 많이 액화되어함축된다는 것이다.

물론 같은 압력(수심)에서 혈액과 함께 체내를 순환하는 질소는 큰 문제를 일으키지 않는다. 하지만 다이버가 급하게 상승하면 수압이 낮아져 혈액에 녹아있던 질소가 다시 기체로 변하게 된다. 만약 기체로 변한 질소가 호흡으로 모두배출되지 않고, 체내에 기체로 남게 되면 혈관을 막거나 신경을 마비시키는 잠수병을 일으킬 수도 있다. 그래서 다이빙 중에 상승할 때에는 천천히 상승하여몸속에 녹아있는 질소를 제거해야 한다. 규정된 상승속도로 천천히 상승하면혈액속의 질소는 호흡을 통하여 정상적으로 배출되지만 상승속도가 빠를 경우혈액속의 공기가 허파에 도달하지 못하고 혈액 속에서 기포로 변한다. 이것이감압병(잠수병)의 원인이 되는 것이다. 다이버는 상승을 할 때에는 규정된 속도(분당 9m)로 천천히 상승을 해야 한다.

잠수병이 발생하면 즉각적으로 치료해야 하며 잠수병의 증상이 나타났을 때는작은 증상이라도 지나치지 말아야 한다. 사소한 증상이 심각한 증상으로 발전할 수 있기 때문이다. 잠수병의 일차적 치료법은 재가압 요법이다. 재가압 요법은 대기압보다 높은 기압 환경을 만들어 100%의 산소를 일정 시간 동안 계속흡입하는 고압산소 치료요법을 말한다. 환자가 증상을 호소하였을 때 고압산소챔버가 갖추어져 있지 않았으면 가능한 한 빨리 시설이 갖추어진 곳으로 이송시켜야 하고, 이송 중에도 신경계통의 손상을 최소화하기 위하여 100% 산소호흡을 계속 유지해야 하며, 왼쪽으로 누워 오른쪽 심장에 유입된 기포가 가능한한 전신 순환으로 유입되지 않게 해야 한다.

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출처
http://www.sdm.kr
scuba diver 2019년 11/12월호