오르락 내리락 페트병 속 잠수함 놀이

지금은 대중화되어 많이 알려지면서 관광지 몇몇 곳에서 운영하는 잠수함 투어를 이용해 본 사람이 제법 많지만 불과 얼마 전만 해도 잠수함은 쉽게 타 보기 힘든 신기한 체험이고 교통수단이었습니다. 그래서 많은 아이들이 잠수함 한번 타기를 간절히 바라곤 했었습니다.

과거엔 잠수함이 일반적인 관광 상품으로써의 이동 수단이 아니라 적군을 상대하기 위한 군사적인 목적으로 만들어진 이동 수단이었기 때문에 전쟁 영화에서나 볼 수 있었기 때문에 그만큼 신비로운 이동수단인 데다가 땅 위나 바다 위가 아니라 바닷속을 다니는 쓰임새 때문에 환상적인 느낌을 불러일으키기도 했었습니다. 오늘은 이런 잠수함을 모티브로 아이들과 부력과 압력을 배우고 느낄 수 있는 과학 장난감을 소개해 볼까 합니다.

 

물에 뜨는 물체, 가라앉는 물체의 차이는?

이 과학 장난감은 사실 어떤 제작물을 가지고 하는 게 아니라는 점에서 완제품 장난감이라기보다는 놀이 키트라고도 할 수 있을 것입니다. 위의 사진과 같이 잠수함 역할을 하는 오징어 모형 하나와 빈 페트병만 있으면 할 수 있는 체험이니까요. 사실 최근에 이런 모형 제작물도 나온 것이고, 이러한 소재가 없다면 동네 햄버거 집에서 주는 일회용 케첩 등을 이용해도 똑같은 현상을 구현할 수 있었습니다.

물에 넣은 이런 물체의 공통점은 기본적으로 물보다 비중이 낮아(밀도가 낮아) 떠오르는 물체라는 점입니다. 페트병에 물을 가득 채우고 이 물체가 입구까지 떠오른 상태에서 마개를 닫고 페트병을 두 손으로 꾹 누르면 떠올라 있던 물체가 잠수함처럼 물 아래로 가라앉았다가 다시 손을 놓으면 원래 있던 위치로 떠오르는 것이 이번 과학 홈스쿨링의 체험 내용이 되는 것입니다.

이런 현상이 나타나는 것은 병 속에 있는 물체 속에는 공기층이 들어 있어 상대적으로 물보다 밀도가 낮아져 떠오른 것인데 물병을 눌러 물에 압력을 가하면 물이 공기층이 있던 자리에 올라와 공기층의 부피가 줄어들고 밀도가 높아지면서 물속으로 가라앉게 되는 것입니다. 단순히 관찰하게 되는 현상은 간단한데 밀도와 압력, 부력의 개념은 아이들에게 쉽지 않은 내용이기 때문에 우선 아이들과 이 체험에 대한 과학 홈스쿨링을 시작할 때 부력과 밀도에 대해서 생활 속의 경험을 기억해 보면서 탐구를 시작하는 게 좋다고 생각합니다. 

공이나 플라스틱, 나무 물체는 물에 뜨지만 쇠젓가락, 돌멩이 등은 물에 가라앉는 것을 관찰한 경험을 아이와 함께 떠올려 보고 물은 가벼운 물체를 위로 밀어 올리는 부력을 가지고 있다는 것을 알려 주는 게 좋습니다. 그런데 이때 주의할 것은 많은 아이들이 무조건 무게와 연결 지어 가벼운 것은 물에 뜨고 무거운 것은 물에 가라앉는다는 오개념을 가지기 쉽기 때문에 물체가 물보다 가벼우면 물에 뜨는 것이 아니라 물보다 밀도(비중)가 낮으면 물에 뜨는 것이란 점을 짚어주어야 한다는 이야기입니다. 그래서 종이배도 물에 뜨지만 무거운 철판으로 만든 배도 내부가 비어 있으면 전체 밀도가 물보다 낮아져 물에 뜬다는 것을 환기시켜 줄 필요가 있습니다.

실제 잠수함의 원리를 조사하는 과정도 중요

체험을 마친 뒤에는 아이와 물에서 잠수함 역할을 했던 물체를 살펴보도록 합니다. 위의 사진 속의 오징어 모형을 뒤집어 보면 공기가 들어갈 수 있는 빈 공간이 있음을 알 수 있습니다. 또 앞서 예로 들었던 일회용 케첩 포장 안에도 역시 공기가 들어 있음을 알 수 있을 것입니다.

아이가 실제로 이것을 눈으로 확인하는 것이 무척 중요합니다. 이것을 느끼고 수긍하면서 보고서를 쓸 때 이에 대해 새로 알게 되고 느낀 점을 구체적으로 적을 수 있을 것입니다. 아울러 체험 마무리 과정에서 부모님께서 "그럼 실제로 잠수함은 어떤 원리로 뜨고 가라앉을지 한번 우리 조사해 볼까?"하고 제안하면서 인터넷이나 관련 도서나 백과사전을 찾아보면서 잠수함의 작동 원리를 알아보도록 합니다.

실제로 잠수함 내부에도 텅 빈 공기탱크와 같은 구조가 포함되어 있는데 바다에서 깊이 가라앉아야 할 때는 이 탱크에 바닷물을 채우고 공기의 양을 줄여서 잠수함 전체의 밀도를 높게 만들어 가라앉고 떠올라야 할 때는 공기를 주입하고 바닷물을 밀어 내 공기가 차지하는 공간을 늘려 잠수함 전체의 밀도를 낮게 만들어 바다 위로 떠오르게 됩니다.

생활 속에서 바다에서 떠올라야 하는 때는 바로 안전과 관련된 경우인데 이에 관련된 생활 속 사례들도 함께 살펴보면 도움이 되지 않을까 생각합니다. 실수로 물에 빠졌을 때에 사용하는 구명조끼는 자체의 밀도가 낮은 스티로폼 소재의 조끼로 이루어져 있거나 물에 빠졌을 때 자동으로 가스 기체가 조끼 내부에 가득 차서 밀도를 낮추는 방식으로 기능을 하게 된다는 것을 설명해 주어도 좋고, 구명조끼가 없을 때에는 주변에 있는 바지나 점퍼에 공기를 채우고 입구를 묶어 공기 튜브처럼 사용하는 예를 들어주어도 좋을 것입니다. 이러한 체험으로 잠수함을 간접적으로 살펴본 아이들은 다음에 물놀이를 할 기회가 있다면 물을 바라보면 떠올리는 생각의 너비가 보다 넓고 풍부해지지 않을까 생각이 됩니다.