스쿠버 다이빙 이론 - 다이빙 물리학(The Physics)

Pixabay로부터 입수된 Jack Drafahl님의 이미지 입니다.

스쿠버 다이빙을 처음 접하는 분이라면 뜬금없이 웬 물리학이라고 생각하실지도 모르겠습니다. 현대 스포츠는 모두 과학과도 밀접하게 연관되어 있으며 지상과는 전혀 다른 물속 환경에서 스쿠버 장비에 의존하여하여 호흡하는 스쿠버 다이버의 경우 필수적으로 알아야 할 물리 법칙들이 있습니다. 오늘은 그 물리법칙에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

1. 부력(Buoyancy)

부력은 유체가 물체를 위로 밀어올리는 힘을 말합니다. 다이버가 가장 많이 사용하는 용어 중에 '중성부력'이라는 말이 있습니다. 기본적으로 수중에서의 부력은 세 가지로 나뉘는데 양성부력, 중성부력, 음성부력이 있습니다.

1. 양성부력(Positive Buoyancy) : 물체가 물에 떠오르려는 힘을 말합니다. 
2. 중성부력(Neutral Buoyancy) : 물체가 물속에서 뜨지도 않고 가라안지도 않는 상태를 말합니다. 스쿠버 다이버가 원하는 수심에서 유영하고자 할때 중성부력을 유지하는 것이 가장 중요합니다.
3. 음성부력(Negative Buoyancy) : 물체가 물속으로 가라앉으려는 힘을 말합니다. 

부력의 원리를 설명하는 중요한 법칙인 아르키메데스 법칙(Archimedes' principle)에 대해 알아야합니다. 아르키메데스는 목욕탕에서 물이 가득 찬 탕 속에 들어갔을 때 본인이 차지하는 부피만큼 물이 넘친다는 것을 보고 '유레카'를 외쳤다고 합니다. 이때 발견한 이론이 아르키메데스 법칙으로 어떠한 물체가 유체(액체 혹은 기체)에 잠기면, 그 물체는 유체에 의해 밀어내는 물체의 무게만큼 부력을 받는다는 개념입니다.

 

즉, 부력의 크기는 물체가 물에 잠긴 부피와 밀도에 의해 결정됩니다. 무게에 비해 부피가 작은 돌멩이의 경우 물에 던지면 바로 가라앉지만, 큰 선박의 경우 부피가 크기 때문에 많은 양의 물을 밀어내어 큰 부력을 받아 물에 떠 있을 수 있게 됩니다.

 

이 원리를 스쿠버다이빙에 적용한 것이 BCD(부력 조절 장치)와 웨이트로 부력을 조절하는 것입니다. BCD에 공기를 넣어 부피를 부풀리면 양성부력이 생기고, 공기를 빼면 음성부력이 증가합니다. 다이버가 슈트와 BC를 착용하면 양성부력이 증가하게 되어 물 속으로 들어가기 위해 음성부력을 증가시킬 필요가 있습니다. 그 음성부력을 위해서 우리는 웨이트를 착용하고 바다에 입수하게 되는 것입니다.

 

 

2. 압력(Pressure)

압력이란 물체가 다른 물체를 누르는 힘입니다. 다이빙을 할 때 수심이 깊어질수록 수압이 증가하며, 이는 다이버의 몸에도 영향을 미치게됩니다.

일반적으로 수심 10m마다 압력이 1기압(1 ata)씩 증가합니다.

예를 들면 수면(0m)에서의 압력은 1 ata(대기압)이며 수심 10m에서는 2 ata(대기압 1ata + 수압 1 ata)로 증가하고, 20m에서는 3 ata(대기압 1 ata + 수압 2 ata)가 됩니다.

 

압력과 관련되서는 보일의 법칙(Boyle's Law)과 헨리의 법칙(Henry's Law) 이해해야 합니다. 

• 보일의 법칙(Boyle's Law) : 이 법칙은 기체의 압력과 부피가 반비례한다는 원리로, 압력이 증가하면 부피가 감소하고 반대로 압력이 감소하면 부피가 증가합니다. 이를 스쿠버다이빙에 적용하게 된다면 하강 시에는 수심이 깊어질수록 인체와 스쿠버 장비가 받는 압력이 증가하게 되고, 이로 인하여 사람의 폐와 장비 내의 공기의 부피가 줄어들게 됩니다. 반대로 상승 시에는 압력이 감소하여 폐 속과 장비의 공기 부피가 증가하게 됩니다. 이렇게 압력이 높아질수록 기체는 압축이 되기 때문에 다이버가 들이마시는 공기의 밀도는 높아지게 됩니다. 그래서 수심이 깊은 곳으로 갈수록 공기를 더 빨리 소모하게 됩니다. 
• 헨리의 법칙(Henry's Law) : 헨리의 법칙은 가스의 용해도는 그 가스의 부분압력에 비례한다는 법칙입니다. 다이버가 깊은 곳으로 내려가면 증가된 압력으로 인해 더 많은 질소가 다이버의 혈액과 조직에 용해됩니다. 이후 수면으로 올라오면 감소한 압력에서 녹아있던 체내 질소가 기체 형태로 혈액과 신체 조직에 방출되었을 때 감압병이 발생할 수 있습니다. 

이처럼 스쿠버 다이빙을 하는 도중 다양한 물리 법칙들이 적용됩니다. 물리 법칙들을 잘 이해하고 다이빙에 적용하여야 보다 안전하고 즐거운 다이빙을 가능하게 해 줍니다.