잠수함(submarine)은 18c에 미국에서 수동식으로 처음 제작되었으나 본격적인 잠수함은 1차 대전 중에 독일이 만든 U-boat일 것이다. U-boat로 한 때 독일이 해상권을 장악하기도 했지만 미국의 참전을 유발해 독일을 패전시킨 것도 U-boat이다.
여하튼 잠수함하면 어떻게 물 위로 뜨기도 하고, 물아래로 가라앉기도 하는가 하는 궁금증이 생긴다. 사실 잠수함의 부침은 아르키메데스의 부력원리(浮力原理)로 설명된다. 부력(buoyance)이란 기체(gas)와 액체(liquid), 즉 유체(fluid) 속에 놓인 물체는 그 물체의 부피만큼의 유체 무게만큼 위쪽으로 받는 힘을 말한다. 그러므로 사람도 공기 중에서 몸의 부피만큼의 공기 무게만큼 부력을 중력의 반대로 받는다. 공기 중의 모든 물체가 부력을 받는다. 다만 그 부력이 공기 무게만큼이라 작기도 하고, 일상화되었기 때문에 잘 느끼지 못할 뿐이다. 부력의 흥미로운 점은 중력이 없는 곳에서는 부력도 없다는 사실이다. 다시 말해서 부력의 근본 힘은 중력인데 중력의 반대 방향으로 작용한다.
아무튼 물 속에서는 다르다. 물에 들어가면 자신의 몸무게가 가벼워지는 것을 느끼게 된다. 몸의 부피만큼의 물의 무게가 작지 않기 때문이다. 마찬 가지로 물고기도 부력을 받는다. 아무튼 부력> 무게이면 물체는 떠오르고 부력<무게이면 물체는 가라앉는다. 이 원리가 바로 잠수함의 부침원리(浮沈原理)이다.
그림 1. 물고기의 부침과 부레[루어 앤 플라잉 피쉬]
그림 1을 보면 물고기는 부레(air bladder)가 부침의 역할을 담당한다. 물고기 부레는 두 칸으로 되어 있다. 그러므로 위로 떠오를 때는 머리 쪽 칸을 키워서 머리 쪽에 부력이 크게 함으로써 머리가 위를 향하게 하고, 아래를 향할 때는 그 반대로 뒤 칸의 부레가 커진다. 이 경우는 단순히 머리를 위아래로 향하게 하는 기능으로 부레가 작동한다. 물고기를 부침케 하는 부레의 역할은 그림 1의 오른쪽에 있는 그림을 참조해야 한다. 즉 부레가 커지면 커질수록 부력이 증가하여 무게보다 커지면 물고기는 떠오르고 반대로 부레의 크기를 줄여서 부력이 감소하면 물고기는 가라앉는다. 만일 물속에서 그대로 떠 있으려면 부레 크기를 적절하게 조절해서 부력과 무게를 같게 하면 된다.
그림 2. 잠수함의 부침 원리도[a: https://medium.com/, b: https://www.researchgate.net/]
그림 2에 잠수함의 부침 설명도를 주었다. a처럼 잠수함은 이중벽 사이에 밸러스트 탱크(ballast tank)가 있다. 이 탱크 안의 공기와 바닷물의 비율에 따라 부력의 크기가 달라지기 때문에 이를 이용하여 잠수함을 부침시킬 수 있다. 밸러스트 안에 공기가 많아지면 부력>잠수함무게가 되므로 물 위로 떠오르고, 공기가 적고 바닷물이 많아지면 부력<잠수함무게가 되기 때문에 잠수함은 가라앉는다. 이때 바닷물과 공기는 모터 펌프(motor pump)와 밸브(valves)를 개폐함으로써 조절이 가능하다.
