[스쿠버다이빙 이론교육 20] 다이빙물리/밀도,부력,에너지,열

[스키퍼[김승규]]

[이론강좌 20] 다이빙물리/밀도,부력,에너지,열

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 밀도(Density)

밀도는 어떤 물체의 분자 덩어리로 측정한다. 분자의 무게가 무거울 수로그 단위부피당 분자의 수가 클수록 물체의 밀도는 크다. 밀도는 단위부피당 질량으로 정의하는데 이것을 공식으로 표현하면 다음과 같다.

밀도 = 질량 / 부피

따라서 담수 1ft³의 무게는 62.4파운드이다.

담수(밀도 = 62.4lbs/ft³;1.0g/cc)는 해수 (밀도= 64lbs/ft³;1.0256g/cc)에 비해 밀도가 낮다. 즉 순수한 물은 이론적으로는 물분자만 포함하고 있다. 그러나 해수에는 여러 가지 용존물질이 녹아있기 때문에 같은 부피의 담수의 무게보다 질량이 더 많이 나간다.

 염분약층(halocline)

담수는 해수보다 더 가볍다. 그래서 만약 두 물이 섞이지 않는다면 담수가 위에 뜨게 될 것이다. (담수와 해수의 밀도차이는 녹아있는 염분량의 차이 때문에 발생하며 이런 현상은 강의 입구와 같은 자연계에 존재한다. 밀도가 다른 두 영역을 나누는 얇은 층을 염분약층(halocline)이라한다.

다이버가 이런 두 층사이를 지나갈 때는 두 층이 섞이면서 빛의 혼합이 일어나는 지역을 지나오므로서 생기는 아지랑이 현상을 관찰할 수 있다. 염분이 외의 용존물질에 의해 발생하는 물의 교류는 염분약층으로 볼 수 없다.

                               

 수온약층(thermocline)

물질은 온도변화에 따라 팽장되거나 수축되는 부피변화를 일으킨다. 이것은 특히 액체나 기체상태에서 온도변화에 따라 밀도가 잘 변한다는 것을 의미한다. 다이버들이 잘 알고 있는 수온약층(thermocline)은 밀도가 더 높은 차가운 물과 따뜻한 물사이에서 나타나게 된다. 특히 수온약층은 호수에서 밀도가 높은 차가운 물이 가라앉으면서 잘 나타나게 된다.

                                          

 부력(BUOYNCY)

 아르키메데스의 원리

고대 그리이스의 철학자인 아르키메데스는 시라큐스의 공중목욕탕에서 탕안에 몸을 담그면 물이 넘치는 현상을 보고 “액체에 잠긴 물체는 잠긴 부피만큼의 액체의 무게와 같은 힘의 부력을 받는다” 라는 아르키메데스의 원리를 만들었다.

이것은 또 물보다 밀도가 큰 물체는 가라낮고 작은 물체는 뜬다는 곳을 의미한다. 만약에 물과 같은 밀도를 가진 물체라면 뜨지도 가라앉지도 않고 주어진 수심을 유지할 것이다. 이렇게 물체가 가라앉는 것을 음성부력(negatively buoyant), 뜨는 것을 양성부력(positively buoyant), 같은 수심을 유지하는 것을 중성부력(neutrally buoyant)을 가졌다고 표현하다.

 부력

부력은 힘이 작용하는 방향을 “힘의 화살표” 원리로 이해하는 것이 가장 쉽다. 즉 무게는 아래로 향하는 힘이고 부력은 위로 향하는 힘이다. 따라서 만약 두 힘이 균형을 이룬다면 이것이 중성부력의 경우이다. 만약 두 힘이 균형을 이루지 않는다면 그 물체는 가라앉거나(무게가 부력보다 큰 경우) 뜨게 될 것이다.(무게가 부력보다 작은 경우)

 균형유지(Trim)

다이버가 수중을 유영할 때는 여러 가지 힘이 작용하게 된다. 먼저 수직방향으로는 웨이트의 중력이 작용해 다이버를 가라앉도록 끌어내리고 너무 적은 양의 웨이트를 착용한 경우나 BC를 너무 부풀린 경우에는 위쪽으로 부력이 작용한다. 이때 BC를 너무 부풀린 경우에는 위쪽으로 부력이 작용한다.

이때 BC는 다이버를 상승하게 만든다. 다음 수평방향으로는 다이버의 킥에 의한 추진력이 작용하게 된다. 추진력은 수중에서 장비나 다이버에 의해 생기는 마찰(drag)을 없애는데 쓰인다. 훌륭한 다이버는 수중에서 작용하는 여러 가지 힘과 균형을 이루도록 유영자세를 조절할 줄 알아야한다.

다이빙의 독특한 즐거움 중 하나는 물 속에서 무게를 느끼지 않으면서 자유스럽게 유영하는 것이며 이것은 가장 효과적이며 즐겁게 다이빙을 즐기는 방법이다. 만약 다이버가 과도한 웨이트를 착용했다면 그 다이버는 일정수심을 유지하고 중력을 이기기위해 과도한 에너지를 소비해야 한다.

또 반대로 너무 적게 웨이트를 착용했다면 그 다이버는 다리의 힘을 사용해 양성부력을 없애기 위해 역시 에너지를 소모하게 된다(추가된 부력이나 웨이트의 양을 극복하기 위해서는 항상 다리의 힘을 사용해야하므로 결과적으로 피로를 유발시킨다.)

유영의 효율을 극대화하기 위해서는 웨이트와 부력을 균형있게 맞추므로써 핀킥이 부력을 수정하기 위해 낭비되지 않고 추진력을 얻는데 쓰이도록 해서 힘의 낭비를 막고 수중에서의 즐거움을 증가시켜야 한다.

마찰은 수중에서 몸의 수평을 유지하므로써 감소시킬 수 있다. 다이버의 자세가 수평에 가까울수록 진행방향상의 면적이 작아지면서 저항은 줄어들게 되고 수중에서 움직임이 더 쉬워진다. 일반적으로 다이버가 유영시 진행방향상의 면적을 반으로 줄일 때마다 같은 거리를 유영하는데 소모되는 힘은 1/4로 감소한다.

 에너지(ENERGY)

에너지는 일을 하는 능력을 말하며 위치변동에 따른 위치에너지(potential energy)와 운동하는 물체가 갖는 운동에너지(kinetic energy)로 나타난다.

여기에 말뚝박는 기계가 있다고 가정하자.

이 기계는 큰 질량의 운동에너지를 이용해 땅속에 말뚝을 박으며 또한 이때 에너지는 해머를 기계의 위쪽으로 올리는데 사용된다. 여기서 만약 운동이 없다면 이 기계는 단지 위치에너지만을 가지게된다. 무게를 가진 해머가 목표를 향해 떨어지게 되면 위치에너지는 운동에너지로 바뀌게 된다.

운동이 계속되는 동안에 떨어지는 물체는 각기 다른 크기의 운동에너지와 위치에너지를 가지지만 두 개의 에너지의 합은 일정하게 유지된다. 에너지의 형태에는 다음과 같이 여러 가지가 있다.

 기계에너지  : 물체의 운동으로부터 얻어진 위치에너지와 운동에너지의 합

 열에너지     : 분자의 운동으로부터 얻어진 에너지

 복사에너지  : 빛이나 X-레이, 전파같은 전자기파에 의해 얻어진 에너지

 화학 에너지 : 화학 반응으로부터 생성된 에너지

 전기에너지  : 전자의 운동으로부터 생성된 에너지

 핵에너지     : 원자 내부의 핵력에 의해 생성된 에너지

일반적인 조건에서 에너지는 생성되거나 소멸되지 않는다. 이것을 에너지 보전(Conservation of Energy)의 법칙이라 한다. 그러나 에너지는 형태를 바꿀수 있다. 예를 들어 수력발전 댐에서와 같이 높은 곳에 있는 물의 위치에너지는 파이프를 따라 낮은 곳으로 떨어질 때 운동에너지로 바뀌게 된다.

이렇게 떨어지는 물에서 생성된 운동에너지는 터빈을 돌게 하고 결과적으로 전기를 만든다. 또 전기는 전구에 불을 켤 때 복사에너지, 히터를 켤 때 열에너지로 바뀌게 된다. 이렇게 반응이 진행되는 동안에 에너지는 만들어지지 않으며 단지 다른 형태로 전환한다.

 힘(Force)

힘은 끌거나 끌리는 것을 말한다. 이것은 크기(얼만큼 끌 수 있는가?)와 방향을 가지고 있다.

 일(Work)

일은 어떤 거리만큼 질량을 이동시키는 것으로 에너지를 필요로 한다. 만약 이동이 일어나지 않았다면 일은 행해지지 않은 것이다. (이것은 벽을 밀었을 때 벽이 움직이지 않았다면 얼마나 땀을 흘렸는가와는 무관하게 일을 하지 않았다는 것을 의미한다.)일은 일정한 힘에 이동거리를 곱한 것으로 표현된다.

여기에는 foot-pound(1파운드의 힘으로 물체를 1피트 옮기는 일), 뉴튼-미터(1뉴튼의 힘으로 물체를 1미터 옮기는 일)와 reg(1dym의 힘으로 물체를 1미터 옮기는 일)등이 있다. 물 속에 같은 크기와 두 다이버가 중성부력을 맞추고 있다고 가정하자. 한사람은 적절한 웨이트를 착용해서 부력과 균형을 이루고있고 다른 한사람은 웨이트를 너무 많이 차서 BC에 공기를 많이 넣은 상태(웨이트를 너무 많이 찼기 때문에 BC로 보정한 경우)이다.

둘 다 중성부력을 이루고 있지만 과도한 웨이트를 찬 사람은 질량이 더 크기 때문에 움직이려면 더 많은 일(얼마만큼의 거리로 질량을 이동시키는 것)을 해야한다. 또한 이런 것은 진행방향상의 면적이 넓어지므로 결국 더 한 마찰이 유발되기 때문이다. 따라서 마찰이 클수록 더 많은 일을 해야한다.

 열(Heat)

열은 열 역학적 에너지 또는 물체내의 분자들의 모든 불특정 운동을 포함하는 운동에너지이다. 분자운동이 열에너지를 제공할 때 물체의 종류를 고려할 필요없이 온도만을 측정하는 것은 대단히 편리한 것이다.

순수한 물 1kg을 14.5℃에서 15.5℃로 올리는데 필요한 열량을 1칼로리(calorie)라  하며 100칼로리로는 1킬로칼로리이다. 영국식 단위계로 순순한 물 1파운드를 63。F에서 64。F로 올리는데 필요한 열량을 BTU(British Thermal Unit)라 하며 1BTU는 252칼로리이다.

물질은 열의 보관창고로 생각할 수 있으며 구성물질 및 분자고조상의 차이는 각기 다른 양만큼의 열을 가질 수 있게 한다. 물질 1g을 1℃ 올리는데 필요한 열량을 비열(specific heat)이라 한다. 이것은 칼로리의 정의와 마찬가지이며 따라서 물의 비열은 1cal/g℃이다. 어떤 물질의 열용량은 그 물질의 비열에 질량을 곱한 것과 같다. 열용량이 크면 클수록 그 물질은 열을 더 많이 흡수하거나 저장할 수 있다.

물이나 헬륨같은 물질은 공기와 비교해 비열이 크기 때문에 다이버가 물이나 헬륨과 접촉하게 되면 공기중 보다 더 많은 열을 뺏기게 된다. 기체의 열용량은 일반적으로 특별한 온도와 압력하(보통 1atm, 25℃)에서 표시된다. 열이 가해지면 기체의 부피나 압력에 영향을 미치기 때문에 용기의 특성에 따라 통상적으로 일정한 압력(Cp) 또는 일정한 부피(Cv)에서의 기체의 열역학적 특성을 측정한다.

열용량은 물체의 온도를 1℃ 올리는데 필요한 열의 양이다. 따라서 ;

열용량 =물질의 질량 X 물질의 비열

물체의 온도를 변화시키는데 필요한 열의 양은 ;

필요한 열의 양 = 질량 X 비열 X 온도차

헬륨(상업용 다이버의 작업벨 또는 주거지 내부)을  호흡하는 다이버는 체내의 열을 더 많이 빼앗기게 된다. 보통 호흡기를 통해 들이마신 차갑고 건조한 기체는 신체에 의해 따뜻하고 습한 기체로 바뀌게 되며 이 과정에서 소량의 열손실이 발생한다. 주요한 열손실은 다이버 피부주위를 둘러싼 대기를 통한 전도, 대류, 복사형태로 일어난다. 여기서 열용량만이 절대적인 문제는 아니다.

부가적으로 고려해야 할 사항은 다이버가 있는 작업환경이나 호흡기체의 열전도도이다. 열전도도(Thermal conductivity)는 따듯란 곳에서 차가운 곳으로 열이 전달되는 비율을 말한다. 이것은 거리가 정해진 장소를 정해진 시간안에 지나는 열의 양으로 표현할 수 있다.

열전도도가 높으면 높을수록 보온력이 더 좋은 절연재가 된다. 예를 들어 면적이 1m³이고 두께가 1cm인 몇 가지 물질의 열전도도(Kcal/h)를 표시해 보면 ;

공기 =2.3

네오프렌 =4.6

울 =8.0

헬륨 =12.2

해수 =52.0

공기와 비교해 헬륨이나 물은 비열과 열전도도가 높기 때문에 열손실이 더 커지고 이런 환경하에서 작업시 열손실의 문제를 일으키게 된다. 이런 열손실은 생명에 영향을 미칠 수 있다.

물리적으로 덩치가 큰 다이버는 작은 다이버 보다 더 큰 열용량(체내에 더 많은 열을 보유하고 있다.)을 갖는다.

그래서 일반적으로 성별에 관계없이 덩치가 작은 다이버는 상대적으로 저체온증이 걸릴 위험이 더 커진다. 그러나 물리적인 크기가 유일한 요인은 아니다. 나이, 생리적인 상태(특히 약물이나 술에 의한 영향), 슈트의 종류, 수온, 다이빙 시간 등의 조건이 저체온증에 영향을 미친다.

온도(Temperature)는 열에너지의 강도를 측정하는 방법이다. 다른 열에너지9온도가 같아질 때까지)계속된다. 이것은 언제나 체온보다 낮은 온도의 물에 있는 다이버에게는 열손실이 일어난다는 것을 뜻한다. 물은 공기보다 열용량이 2800배 정도 크고 가튼 온도에서 열 전도도가 약 25배(건조하고 안정된 공기일 때)정도 크다.  

따라서 다이버는 공기 중 보다 물에 서 더 빨리 열을 빼앗기게 된다. 예를 들어 다이버가 수온이 34。F(1.1℃) 정도 되는 호수에 들어가게 되면 체온으로 호수를 덮히려는 열손실이 일어나게 된다. 그러나 호수는 다이버의 몸에 비해 아주 크기 때문에 결국 다이버는 많은 양의 체온을 빼앗기게 된다. 이때 다이버의 체온은 현저하게 떨어지지만 호수의 온도 증가는 극미하다.

저체온증은 차가운 물에서만 일어나는 것은 아니다.(의학적으로 차가운 물은 70。F 미만인 경우) 언제라도 체온보다 낮은 물에서 다이버는 열을 빼앗기게 된다. 따뜻한 열대지역에서 조차 노출을 반복하면 저체온증과 같은 상황이 발생하게 된다.

다이버는 다음과 같은 여러 가지 형태로 열을 빼앗기게 된다.

 전도Conduction)

다이빙시 열손실의 주요원인으로 물질과 직접적인 접촉에 일어나는 열손실을 말한다. 열은 따뜻한 다이버로부터 차가운 물로 전달된다. 물은 공기보다 밀도가 크기 때문에 부피당 분자의 충돌이 더 많이 생기게 되고 결과적으로 공기보다 열을 더 많이 전달하게 된다. 따라서 물 속에서는 건조하고 안정된 공기중에서 보다 약 25배정도 더 빨리 열을 빼앗기게 된다. 만약 다이버가 체온보다 낮은 온도의 기체를 호흡하게 되면 체온으로 호흡기체를 데우기 때문에 열손실이 일어나게 된다. 밀도가 큰 호흡기체(더 깊은 수심)로 다이빙하면 할수록 열손실은 더 커지게 된다.

 

 대류(Convedtion)

따뜻한 신체와 접촉한 차가운 물은 데워지며 이렇게 데워진 무른 팽창과 순환을 통해 접촉된 지역으로부터 떨어지게 된다. 이렇게 빈 지역은 다시 차가운 물로 채워지며 다시 열손실이 일어나게 된다. 왯슈트의 기능은 다이버의 주위를 둘러싼 물의 흐름을 최소화함으로서 전도와 대류에 의한 열손실을 작게하는 것이다.

 증발(Evaporation)

액체상태의 물이 기체상태인 수증기로 변화하는 것과 관련된 열손실이다. 액체인 물이 수증기로 변하려면 많은 에너지가 필요하다. 다이버는 매우 건조한 공기를 호흡하지만 폐는 습기가 있는 공기를 필요로 한다. 따라서 다이버가 호흡을 하게 되면 수분은 호흡기체를 습기있게 만들기 위해 호흡기관에서 증발하게 된다. 이 때문에 다이버는 많은 열손실을 일으킨다. 더해서 바람이 부는 날에도 다이버가 입은 슈트에서 많은 증발 일어나 열을 빼앗기게 된다.

 

 복사(Radiation)

열에너지의 직접적인 복사에 의해 열손실이 일어나는 것이다. 물론 전도와 대류에 필요한 공기분자가 희박한 우주공간에서의 복사에 의한 열 손실은 크지만 물 속의 다이버에게는 그리 크기 않다.

차가운 물에 잠긴 다이버의 열손실을 막을 수는 없지만 그 속도를 늦출 수는 있다. 보온의 목적은 일반적으로 여러 가지 재료(내부에 질소기포층이 있는 왯슈트나 공기층을 갖는 드라이 슈트)로 물리적인 장벽을 만들어 다이버에게서 물로 전달되는 열손길을 더디게 하는 것이다. 따라서 보온력이 좋으면 좋을 수로 더 오랜시간 체온을 유지할 수 있게 된다.

왯슈트는 하강시 외부압력이 증가하면서 부력이 감소할 뿐 아니라 압축이 되면서 보온층의 부피가 작아진다. 따라서 왯슈트는 깊이 들어갈수록 보온력이 떨어지게 된다. 그러나 드라이슈트는 하강시 슈트 내부에 공기를 공급함으로써 부피를 유지할 수 있다.

 단열팽창(Adiabatic Expansion)

단열계(Adiabatic system)는 열이 더해지거나 빠져 나가지 않는다. 다이버들이 관찰하는 많은 현상들은 단열계와의 관계를 통해 설명된다. 단열계에는 부피가 증가함에 따라 온도는 감소하며 온도의 변화가 없는 한 부피는 일정하게 유지된다. 따라서 탱크에 공기가 채워질 때는 온도가 올라간다.

공기는 압축되면 부피가 작아지며 온도는 올라가게 된다. 이때 온도의 변화는 현저하게 나타나며 산소가 풍부한 경우라면 그리스, 윤활류등 석유화학제품을 발화 또는 폭발시킬 수도 있다.

탱크의 검사전에 밸브를 열어 직접 공기를 빼내거나 퍼지버튼을 눌러 공기를 빼내는 경우처럼 갑작스럽게 동기의 부피를 증가시킬 경우 온도는 떨어지게 된다. 마찬가지로 대양에서 산의 경사면을 향해 부는 바람은 상승과 함께 주변압의 감소로 인해 온도가 떨어지게 된다.

실제적으로 냉각된 온도가 이슬점 이하까지 떨어지면 구름이나 안개를 형성한다. 단열팽창을 통해 온도가 떨어짐으로 구름이나 안개가 형성되는 것은 미서부 연안지역이나 높은 산을 가진 열대 태평양 연안의 섬들에서 자주 나타난다.

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NAUI Course Director

NAUI Nitrox diving Instructor

ASHI CPR Instructor

김승규

 팀 드레이크/team DRAKE