헬륨풍선 중간에 떠 있게 하기(부력과 중력의 평형)

헬륨풍선의 부력과 중력을 맞춰 중간에 떠 있게 만드는 가장 고전적인 방법이다.

헬륨풍선은 부력때문에 위로 올라간다. 풍선의 부피가 변하지 않는 한 풍선의 부력도 변하지 않는다고 보면 된다. 그럼 풍선의 무게(중력의 크기)만 부력과 똑같아지게 만들어 주면 중간에 떠 있게 할 수 있는데, 이게 생각보다 쉽지 않다. 그래서 헬륨풍선에 끈을 매달아 간단하게 중력과 부력의 크기를 똑같이 맞출 수 있다.

 

원리는 간단하다.
헬륨풍선이 위로 올라갈수록 끌고 올라가야 하는 끈이 길어지기 때문에 무게(중력의 크기)는 점점 커지게 된다. 그러다가 부력과 중력이 같아지는 곳에서 멈추게 된다.

가상 프로그램으로 확인해 볼 수 있다.  http://sciencelove.com/2274

풍선을 억지로 위로 들었다 놓으면 중력이 더 크기 때문에 풍선은 아래로 내려오게 된다. 그러다가 중력과 부력이 같아지는 곳에서 멈추게 된다.

풍선을 억지로 아래로 내렸다가 놓으면 풍선은 떠오르다가 중력과 부력이 같아지는 곳에서 멈추게 된다.

풍선이 멈출때를 기다렸다가, 풍선 아래쪽에 늘어져 있는 끈이 지면과 닿아 있는 부분을 찾아 잘라 주면,  풍선의 중력과 부력이 같은 상태가 된다.

이제 늘어져 있는 줄을 잘 감아 올린 다음 풍선을 공중에 살짝 놓아 보자. 그럼 풍선이 중간에 떠 있는 모습을 보게 될 것이다.

선풍기나 에어컨은 미리 꺼 놓아야 한다. 교실에 약간의 공기의 흐름만 있어도 풍선은 공기의 흐름을 따라 이동한다. 교실에서 시연을 보인다음 에어컨을 켜 놓으면 풍선의 움직임을 보고 교실안에 공기가 어떻게 이동해 가는지 추적할 수 있다.

그리고 헬륨은 풍선밖으로 쉽게 빠져 나오기 때문에 시간이 조금만 지나도 평형상태가 깨지게 된다. 잠시동안만 평형상태를 확인할 수 있다.

전시간에 일회용 스포이드와 물을 가지고 학생들이 직접 실험을 했다. 그래서 이번 시간에는 더 간단한 방법으로 평형을 맞추는 방법을 시연해 주었다.

풍선을 들었다가 놓으면 아래로 떨어진다. 언제까지 떨어질까? 풍선을 바닥에 내렸다가 놓으면 다시 올라온다. 언제까지 올라올까? 그럼 바닥과 실이 닿아있는 끝부분을 자르고 실을 감아 올리면 어떻게 될까?

팁 : 풍선의 크기를 미리 잘 맞춰야 한다. 만약 풍선이 너무 커서 실을 끌고 천장까지 올라간다면, 실의 윗부분을 매듭을 짓거나, 가벼운 물체를 실의 윗부분에 미리 묶어서 풍선이 중간에 떠있게 세팅을 해 놓아야 한다. 조금 무거운 실을 사용하면 좋다.

 

일회용 스포이드와 물을 이용한 헬륨풍선 평형 맞추는 내용은 아래 링크에서 확인할 수 있다.

http://sciencelove.com/2275

헬륨풍선과 작은 종이컵 또는 일회용 스포이트를 이용한 부력 실험

부력과 중력의 평형을 쉽게 설명하기 위해 만든 프로그램(헬륨풍선 추가)은 아래 링크에서 다운 받을 수 있다.

http://sciencelove.com/2274

부력 가상 실험 - 물에 뜨는 물체