수압

수압(水壓, Hydraulic pressure)은 물의 무게에 의해 발생하는 압력이다. 수심 10m당 1기압씩 상승하며 물체와의 전후좌후에 같은 힘을 준다. 우리가 알고 있는 부력 역시 이러한 압력 때문에 발생한다. 동일 높이에 있는 기준선에 작용하는 압력은 같아야 하기 때문에 물체가 부력을 받는 것이다. 결국 부력은 물체의 아래쪽이 받는 압력과 물체의 위쪽에 받는 압력에 차이가 생기기 때문에 그 힘에 대한 평형을 맞추기 위해서 생겨나는 것이다. 물의 깊이에 따라 그 힘이 달라지며 대기압을 고려하지 않을 때는 깊이가 10cm씩 늘어날 때마다 10g씩 증가한다.

사람이 30m 이상 깊은 곳으로 잠수한 후 급격히 올라오면 이 기압의 차이로 감압병이 발생할 수 있으며, 이때문에 치명적인 부상을 입을 수 있다. 그래서 초급 다이버의 경우 18m보다 깊은 수심에서 잠수해선 안되며, 고도의 교육과 기술을 습득한 다이버도 스쿠버 장비로는 100미터, 세계기록급으로도 300미터대까지밖에 안된다.

개요

그림 1. 깊이에 따른 수압 차이 (출처: 한국물리학회)

그림 2. 페트병 실험 (출처: 한국물리학회)

수압이란 물의 무게에 의해 생긴 압력을 뜻하며 물속의 한 점에서는 모든 방향에서 같은 세기의 압력을 받는다. 수압의 크기는 물의 깊이에 따라 달라지며 대기압을 고려하지 않으면 깊이가 10m 증가할 때마다 약 1 기압의 힘을 추가로 받게 된다.

수압은 다음의 정수압 방정식에 의해 계산할 수 있다.

p=wh=⍴gh

여기서 p는 수압, w는 물의 단위체적당 중량, ⍴는 물의 밀도, h는 물의 깊이, g는 중력가속도이다. 즉 비중과 중력가속도를 이용하면 물의 단위체적당 중량을 알 수 있는데 물의 비중은 1000 kg/m³이고 중력가속도는 약 9.8 m/s²이다. 10 m 깊이에서 계산을 해보면 다음과 같이 1기압이 된다.

p=1000(kg/m³)×9.8(m/s²)×10(m)≈100000(N/m²)=100000(Pa)≈1(atm)

따라서 수심 10 m 마다 100kPa, 즉 1 기압(atm)이 증가하게 된다.

물의 일부에 압력이 가해지면 파스칼의 원리에 의해 그와 같은 크기의 압력이 각 부분에 가해진다. 파스칼의 원리는 비압축성 유체일 때 밀폐되어 있는 유체에 압력을 가하면 압력을 받은 물질 내 모든 방향에서 같은 크기의 압력을 받는다는 것이다. 즉, 물을 용기에 넣고 밀폐하여 한쪽에서 밀면 모든 부분에 같은 힘이 작용한다. 그리고 가해준 힘이 같더라도 면적에 따라 압력은 다르다. 힘이 작용하는 면적을 작게 하면 같은 힘을 주어도 큰 압력을 받게 된다. 수압기는 바로 이러한 원리를 이용한 것으로, 넓은 면적에서 좁은 면적으로 물을 내보냄으로써 작은 힘으로도 큰 수압을 만들어내는 것이다. 샤워기의 구멍을 작게 만드는 것도 물살을 세게 만들기 위해 이와 같은 원리를 이용한 것이다.

그림2에서와 같이 페트병을 이용하면 간단히 수압의 효과를 확인할 수 있다. 페트병에 높이를 다르게 하여 구멍을 뚫은 뒤 물을 채우면 구멍으로 물이 빠져나가는데 깊이가 깊은 구멍일수록 수압이 더 세기 때문에 더 멀리 나가는 현상을 보인다.

심해에서

강력한 수압은 인류가 심해를 탐험하고 정복하는 데에 큰 걸림돌로 작용하고 있으며 현재도 수압을 극복하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 잠수함도 해저 500m 이하로 잠수하게 되면 선체에 심한 무리가 가게 되고 아예 심해 탐사를 목적으로 한 탐사선은 이보다 훨씬 깊은 7,000m까지 잠수가 가능하다. 2019년에는 티타늄 소재 잠수정을 이용하여 수심 10,928m까지 들어갔으며 이것이 현재까지의 잠항 심도 최고 기록이다.

만약 인체가 수심 4,000m 이상의 엄청난 수압에 갑자기 노출될 경우 그야말로 몸이 수압으로 인해 훼손되며 사실상 으깨진다는 표현이 적절할 것이다. 4000m에서 수압은 대형 트럭 10대가 누르는 힘과 동일하다. 이와 관련된 사건사고로는 타이타닉호 관광 잠수정 사고가 있다.

당연하지만 심해에 서식하는 생물들은 신체 구조가 수압에 적응할 수 있도록 되어있다.

체내에서

체내에서 가해지는 수압은 일반적으로 정수압(hydrostatic pressure)이라고 부르며, 세포막의 삼투에 영향을 끼치는 힘이다.

참고자료

• 〈수압〉, 《물리학백과》
• 〈수압〉, 《위키백과》
• 〈수압〉, 《나무위키》

같이 보기

• 기압
• 풍압
• 전압
• 수력
• 부력

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