스쿠버 다이빙의 물리학

레트 알랭

나는 필요한 것보다 훨씬 더 많이 스쿠버 다이빙을 하곤 했습니다. 저는 개방 수역 다이빙, 테크니컬 다이빙, 작살낚시, 동굴 다이빙 등 거의 모든 것을 했습니다. 놀라운 것들을 볼 수 있는 재미있는 스포츠지만, 인간을 안전하게 물 속에 넣는 과정에는 수많은 과학이 담겨 있습니다. 이제 스쿠버 다이빙이 우리에게 물리학에 대해 무엇을 가르쳐줄 수 있는지 알아봅시다.

아마도 스쿠버 다이버가 압력을 다룰 때 가장 먼저 생각하는 것은 탱크 압력일 것입니다. 스쿠버 탱크에는 상대적으로 작은 부피에 많은 양의 공기가 들어 있으며, 이를 수행하는 유일한 방법은 공기를 압축하여 높은 압력을 생성하는 것입니다. 다이버는 압력 게이지를 사용하여 탱크에 남아 있는 공기의 양을 확인할 수 있습니다. 일반적으로 가득 찬 탱크의 압력은 평방인치당 3,000파운드(psi)입니다. 200psi 이하로 떨어지면 물 밖으로 나와야 합니다.

지구를 덮고 있는 일반 공기는 대부분 질소 분자로 구성되어 있으며 전체 공기의 약 79%를 차지합니다. 나머지는 약 21%의 산소입니다. 우리는 이 분자들이 서로 다른 속도와 방향으로 움직이는 아주 작은 공과 같다고 상상할 수 있습니다. 이 가스가 용기 안에 있으면 분자 중 일부가 벽과 충돌하여 튕겨져 방향을 바꿀 것입니다. 이러한 운동 변화는 각 분자가 벽에 작은 힘을 가한다는 것을 의미합니다. (더 큰 벽이나 컨테이너는 더 많은 충돌과 더 큰 전체 힘을 경험하게 됩니다.)

가스 분자의 운동을 설명하는 한 가지 방법은 단위 면적당 힘을 생각하는 것입니다. 이것은 가스의 압력입니다.

힘을 파운드 단위로, 면적을 평방 인치 단위로 측정하면 압력은 평방 인치당 파운드(psi)로 표시됩니다. 이는 미국에서 탱크 압력의 가장 일반적인 단위입니다.

로렌 구드

유선 직원

줄리안 초카투

윌 나이트

또 다른 단위는 바(bar)인데, 1바는 14.5psi와 같습니다. 1bar의 값은 지구상의 공기압과 매우 가깝습니다. 지금 당신을 둘러싸고 있는 공기의 기압은 아마도 14.5psi일 것입니다. (예, 제가 "아마"라고 말한 이유는 여러분을 판단하고 싶지 않기 때문입니다. 아마도 여러분은 에베레스트 산 정상에서 이 글을 읽고 있을 것입니다. 에베레스트 산 정상에서 압력은 4.9psi에 불과합니다. 왜냐하면 여러분 위에 아래로 밀어내는 공기가 적기 때문입니다. 그렇다면 , 사진 보내주세요.) 힘과 면적으로 따지면 제곱미터당 100,000뉴턴과 같습니다.

물은 또한 공처럼 움직이는 작은 분자로 구성되며, 이러한 분자는 수중 물체(예: 사람)와 충돌하여 압력을 생성합니다. 물은 같은 양의 공기보다 더 많은 분자를 가지고 있습니다. 즉, 더 큰 압력을 생성하기 위해 더 많은 충돌이 발생한다는 것을 의미합니다. 그러나 에베레스트 산 정상에 오르면 기압이 감소하는 것처럼 물 속으로 더 깊이 들어가면 압력이 증가합니다. 중력이 물 분자를 아래쪽으로 끌어당기기 때문입니다. 수심 10m마다 압력은 1bar(14.5psi)씩 증가합니다. 이는 해수면 아래 20미터(약 60피트) 아래로 다이빙할 때 지구 표면의 기압보다 3배 더 높은 43.5psi의 수압이 존재한다는 것을 의미합니다.

(깊이에 따라 압력이 증가한다는 사실은 바다의 모든 물이 무한히 얇은 층으로 붕괴되는 것을 방지합니다. 더 깊이 들어갈수록 압력이 더 커지기 때문에 아래의 물은 위의 물이 아래로 밀어내는 것보다 더 많이 위로 밀려납니다. 이 차이는 아래쪽으로 중력이 작용하므로 수위는 일정하게 유지됩니다.)

43.5psi는 사람이 감당하기에는 너무 높은 것처럼 들릴 수도 있지만 실제로는 그렇게 나쁘지 않습니다. 인간의 신체는 압력 변화에 매우 잘 적응합니다. 수영장 바닥에 가본 적이 있다면 이 압력 문제에 대한 답이 바로 귀라는 것을 이미 알고 계실 것입니다. 고막 외부의 수압이 내이 내부 공기의 압력보다 높으면 막이 늘어나서 매우 아플 수 있습니다. 하지만 이 문제를 해결할 수 있는 좋은 방법이 있습니다. 공기를 불어내려고 코를 꼬집어 중이강으로 공기를 밀어 넣으면 공기가 이 구멍으로 강제로 들어가게 됩니다. 내이에 공기가 더 많아지면 막 양쪽의 압력이 같아지고 정상적인 느낌을 받게 됩니다. 이를 "균등화"라고 부르는데, 그 이유는 명백하기 때문입니다.