물리학(Physics)

1. 물과 공기(Water and Air)
  물리학에서 물과 공기는 유체(fluid)라고 부른다. 이들을 구분할 때 유체역학적으로는 보통 압축성(compressibility)의 성질을 사용하여, 물을 비압축성 유체라고 하고 공기를 압축성 유체라고 한다. 즉 공기는 쉽게 압축되지만 물은 거의 압축되지 않는다는 뜻이다. 이러한 성질은 밀도라는 물리량으로 쉽게 설명될 수 있는데, 공기는 밀도가 변하지만 물은 변하지 않는다.
  밀도는 단위 부피당 지량(mass)으로 정의된다. 즉 1입방미터(m³))가 몇 킬로그램(kg)이냐 하는 것이 밀도이다. 그러나 공학에서나 일반적으로는 밀도보다 단위 부피당 무게(weight)로 정의되는 비중량(specific weight)의 개념을 많이 사용한다. 비중량은 밀도에다 상수인 중력가속도를 곱한 것이다.
  공기의 비중량은 1입방미터당 약 1.28그램(1.28 g/m³) 또는 1큐빅피트당 0.08파운드(0.08 lb/ft³)이다. 그러나 해수의 비중량은 공기보다 약 800배 무거운 1입방미터당 약 1,025킬로그램(1,025 Kg/m³) 또는 1큐빅피트당 64파운드(64 lb/ft³)이다. 이 밀도 또는 비중량은 잠수 중 움직임(운동)에 대한 저항 및 부력 외에도 많은 현상과 관련이 있다.
  우리가 육상에서 숨쉬는 공기는 산소 20%, 질소 80%로 되어있다. 지구를 감싸고 있는 공기는 그 자체의 무게에 의해서 압축되며 공기의 밀도 또는 압력은 고도에 따라 변한다. 즉 해수면의 공기는 높은 산의 공기보다 압력이 더 높다. 이러한 공기는 수심이 깊어져 압력이 증가하면 공기의 밀도가 증가하여 호흡에 대한 저항도 증가한다.

물리량	공 기	물(민물)	비 고
무게	1.2 kg/m3 (0.08 lb/ft3)	1,000 kg/m3 (62.4 lb/ft3)	물이 약 800배 무거움
압축성	압축이 잘됨	거의 압축되지 않음	공기의 밀도는 고도에 따라 다르지만 물의 밀도는 수심이 달라도 거의 변하지 않음
광속	180,000 mph	135,000 mph	수중에서 약 25% 느림
음속	340 m/s (1,125 ft/s)	1,500 m/s (4,900 ft/s)	수중에서 약 4배 빠름
열전도성	0.025 W/m。C	0.6 W/m。C	수중이 약 24배 빠름
열용량	1.005 kJ/kg。C	4.197 kJ/kg。C	수중이 약 4배 큼 (같은 무게 일 때)

(표 2-1) 물과 공기의 물리적 특성 비교

  한편 물은 열을 공기에서보다 25배나 더 빨리 전도한다. 그 영향으로 다이버는 수중에서 더 빨리 열을 잃게 된다. 그리고 같은 부피를 기준으로 할 경우 물의 열용량이 공기의 약 3,600배나 되므로 물에서는 작은 온도 변화로도 많은 열을 흡수할 수 있다. 그래서 공기 중에서는 섭씨 25도라면 따뜻하다고 느끼지만 같은 온도의 물에서는 가만히 있게 되면 짧은 시간 내에 몸이 떨릴 정도로 추위를 느끼게 된다. 이러한 열손실을 줄이려면 열을 차단하는 방법을 써야한다. 그래서 다이버들은 슈트를 착용하는데 일반적으로 뛕슈트는 화씨 75도(섭씨 24도)이하에서 사용하고, 드라이슈트는 화씨 55도(섭씨 13도) 이하에서 사용한다.

2. 압력(Pressure)
  압력은 단위 면적당 무게(힘)이다. 즉 무게를 면적으로 나눈 것인데 그 단위는 보통 기압이나 kg/cm², 또는 psi(lb/in², pounds per square inches)로 표시한다. 우리가 육상에서 받는 압력은 우리 머리 위에 있는 보이지 않는 공기 기둥의 무게이다. 이것을 대기압이라 부르며 해수면에서의 압력은 1기압 또는 14.7 psi이다. 물론 공기의 압력은 고도가 높아지면 감소한다.

	기압 (atm)	파스칼 (Pascal)	바 (bar)	kg/cm2	피에스아이 (psi)
기압(atm)	1	10,130	1.013	1.033	14.695
파스칼(Pascal)	10,130	1	10-5	1.02×10-5	0.1451×10-5
바(bar)	1.013	10-5	1	1.02	14.51
kg/cm2	1.033	1.02×10-5	1.02	1	14.22
피에스아이 (psi)	14.695	0.1451×10-5	14.51	14.22	1

(표 2-2) 각종 압력단위 비교

  물은 압축이 거의 불가능하고 물의 압력은 일정한 비율로 증갛하기 때문에 해수면에서부터 수심에 비례하여 증가한다. 이는 해수에서 1피트당 0.445 psi가 증가하며, 담수에서는 1피트당 0.432 psi가 증가하는 셈이다.

미터(m)	피트(ft)	기압(atm)	미터(m)	피트(ft)	기압(atm)
0 3 6 9 10 12 15 18 20 25 30	0.0 9.8 19.7 29.5 32.8 39.4 49.2 59.1 65.6 82.0 98.4	1.0 1.3 1.6 1.9 2.0 2.2 2.5 2.8 3.0 3.5 4.0	40 50 60 70 80 90 100 500 1,000 5,000 10,000	131.2 164.1 196.9 229.7 262.5 295.3 328.1 1,640.5 3,281.0 16,405.0 32,810.0	5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 51.0 101.0 501.0 1,001.0

(표 2-3) 해수에서의 수심별 절대압력

  우리가 계기압(gauge pressure)이라고 부르는 압력은 해수면의 압력을 "0'으로 기준하며 psig로 표기한다. 그러나 이는 단순히 압력계를 볼 때 우리들의 편의를 위한 것으로 모든 물리 법칙을 적용하는 데는 psia로 표기하는 절대압(absolute pressure)을 사용해야 한다. 절대압은 항상 계기압보다 1기압 더 크다.
  한편 수심의 변화는 압력을 변하게 하고 압력변화는 밀폐된 유연한 용기의 부피에 영향을 미친다. 압력과 부피는 반비례하여 압력이 올라가면 부피가 감소하고, 압력이 감소하면 부피가 커진다. 이는 압력(수심)의 증가함에 따라 공기밀도도 증가하기 때문인데, 만일 공기공간의 부피가 변하지 않고 압력평형이 이루어지려면 공기공간내의 밀도가 높아져야 한다. 따라서 수심이 깊어질수록 호흡하는데 더 많은 공기가 사용된다. 그리고, 수심이 증가하는데도 압력평형을 하지 않으면 공기공간이 과도하게 압박될 수 있으며, 상승 중에 숨을 참는 것은 폐 파열의 결과를 초래할 수도 있다는 것을 이 관계에서 알 수 있다.
  다음은 온도와 압력과의 연관성이다. 온도가 증가하면 실린더 속의 분자활동이 증가하고 그래서 압력은 증가한다. 이런 효과 때문에 다이빙 전문점에서 공기를 충전시킨 실린더가 식으면 압력이 약간 감소한다. 압력과 온도는 절대압과 절대온도로 표기할 때 정비례하는 관계가 있다. 보통 80큐빅피트 3,000 psi 실린더의 경우 섭씨 1도 증가할 때마다 약 9 psi씩 증가하고, 화씨 1도 증가할 때마다 약 5 psi씩 증가한다고 기억해 두면 유용하게 사용할 수 있다.
3. 부력(Buoyancy)
  고대의 과학자 아르키메데스(Archimedes)는 왕관의 금의 순도를 알아내는 방법을 연구하다가 '물 속에 잠긴 물체는 그물체가 밀어낸 물의 무게와 같은 크기의 힘을 받는다'는 부력의 원리를 알아내었다. 우리는 어떤 물체는 가라앉고 어떤 물체는 뜨는 것을 보아왔다. 부력의 원리에 의하면 만약 그 물체가 밀어낸 물의 총량보다 자신의 무게가 더 무거우면 가라앉고 가벼우면 뜨게 된다. 이 현상은 물체의 밀도 또는 무게와 관계가 있다. 물보다 밀도(무게)가 큰 물체는 가라앉고 밀도가 작은 것은 뜨게 된다.
  이 부력의 원리는 실제 다이빙에 적용해보면 쉽게 이해될 수 있다. 인체는 공기로 가득 찬 허파로 인하여 약간의 양성부력 상태가 된다. 그러나 숨을 내쉬면 공기의 양이 주러들기 때문에 무게는 거의 변하지 않는데 전체 부피가 줄어들어 결과적으로 가라앉게 된다. 이 상태를 음성부력 상태라 하고 부력과 무게가 균형을 이루고 있는 것을 중성부력 상태라고 한다.
  이러한, 부력에 영향을 미치는 요소는 다양하다. 우선 다이버의 무게와 부피가 가장 크게 영향을 미치고, 장비의 무게와 종류, 웨이트의 무게, 물의 밀도(담수, 해수), 그리고 부력조절기의 공기량과 폐 속의 공기량, 슈트 압축, 들고있는 장비 등도 영향을 미친다.
  우리가 다이빙을 할 때부력은 웨이트벨트의 무게를 조절하거나 BC 속에 공기를 넣거나 빼거나 함으로써 조절한다. 폐 속의 공기량도 부력조절에 약간은 도움이 된다. 슈트를 입고 하강하는 다이버는 하강할수록 뛕슈트 속의 기포가 작아지므로 부력이 줄어든다. 그래서 손실된 부력만큼 BC에 공기를 집어넣는데 깊은 곳에서 넣은 공기는 상승하는 동안 슈트의 기포와 함께 팽창하기 때문에 부력이 커진다는 사실을 명심해야 한다. 자칫하면 상승하면서 통제 불가능한 상태가 되기 때문에 상승을 시작하기 전에는 BC의 공기를 빼는 습관을 들여야 한다.
  그리고 해수는 담수보다 밀도가 크기 때문에 수영장에서 납의 무게를 중성부력에 맞춰놓은 다이버가 바다에서 실습을 할 때는 웨이트벨트에 납을 더해야 하며, 반대로 해수에서 다이빙하던 사람이 담수에서 다이빙하려면 납의 무게를 줄여야 한다. 보통 자기 체중의 약 3%정도 납을 가감하는데 정확한 무게는 다음의 공식을 사용하여 계산할 수 있다.

  담수 무게 차이 = [ {해수에서의 총 무게 ÷ 해수 중량} × 담수 중량 ] - 해수에서의 총 무게
    * 해수에서의 총 무게 = 다이버의 체중 + 장비 무게
      1 m³ 당 해수의 무게(해수 중량) = 1,025 킬로그램
      1 m³ 당 담수의 무게(담수 중량) = 1,000 킬로그램
      1 ft³ 당 해수의 무게(해수 중량) = 64 파운드
      1 ft³ 당 담수의 무게(담수 중량) = 62.4 파운드

<예제> 해수에서 중성부력을 이룰 때 체중과 장비를 합한 무게(해수에서의 총 무게)가 80킬로그램인 다이버가 민물에서 중성부력을 얻으려면 얼마만큼의 납을 빼줘야 하는가 ?

  <해답> 담수 무게 차이 = [{80 ÷ 1,025} × 1,000] - 80 = -1.95
    즉, 다이버는 약 2킬로그램의 납을 빼주어야 한다.

<예제> 해수에서 중성부력을 이룰 때 체중과 장비를 합한 무게(해수에서의 총 무게)가 160파운드인 다이버가 민물에서 중성부력을 얻으려면 얼마만큼의 납을 빼줘야 하는가?

  <해답> 담수 무게 차이 = [(160 ÷ 64) × 62.4] - 160 = -4.00
    즉, 다이버는 약 4파운드의 납을 빼주어야 한다.

  이제 공식을 변형하면 민물에서 바다로 장소를 옮기려고 하는 경우에 있어서 무게 차이를 구하는 공식을 알 수 있다.

  해수 무게 차이 = [(담수에서의 총 무게 ÷ 담수 중량) × 해수 중량] - 담수에서의 총 무게
    * 담수에서의 총 무게 = 다이버의 체중 + 장비

<예제> 민물에서 체중과 장비의 무게가 90킬로그램인 다이버가 바닷물에서 중성부력을 얻으려면 얼마만큼의 납을 더해줘야 하는가?

  <해답> 해수 무게 차이 = [(90 ÷ 1,000) × 1,025] - 90 = +2.50
    즉, 다이버는 약 2.5킬로그램의 납을 더해 주어야 한다.

<예제> 민물에서 체중과 장비의 무게가 190파운드인 다이버가 바닷물에서 중성부력을 얻으려면 얼마만큼의 납을 더해줘야 하는가?

  <해답> 해수 무게 차이 = [(190 ÷ 62.4) × 64] - 190 = +4.87
    즉, 다이버는 약 5파운드의 납을 더해 주어야 한다.

  다이빙을 편하게 하려면 부력조절을 잘해야 한다. 웨이트벨트의 납무게가 지나치게 무거울 때 수면에서 머리를 물 밖에로 유지하는데 있어서나, 하강이나 상승시 자신을 적절히 제어하는데 어려움을 겪게된다. 또한 바닥과 적당한 거리를 두고 이동하는데도 어려움을 겪게 되며 전체적으로 필요 이상의 에너지를 소비하게 된다. 반면 무게가 충분치 못할 때는 수면 아래로 내려가고 또 그곳에서 머무는데 계속적인 곤란을 느끼게 된다. 안전을 위해서, 에너지와 공기를 아끼기 위해서, 그리고 다이빙을 좀더 재미있게 하기 위해서 중성부력 유지는 매우 중요하다.
  다이빙에 어느 정도 익숙해지면 물 속에서 가장 적은 노력으로 수평의 자세를 유지하는 방법을 배워야 한다. 무거운 웨이트벨트와 많은 양의 공기를 넣은 BC를 착용한 다이버도 중성부력을 얻을 수 있다. 그러나 이 경우 BC는 다이버의 상체를 들어올리고 웨이트벨트는 다이버의 엉덩이를 밑으로 끌어내리므로 물 속에서 서서 다니는 것처럼 된다. 이런 자세는 수평자세에 비해 물의 저항을 받는 면이 넓기 때문에 좋지 않다. 만일의 경우 BC에 구멍이라도 난다면 이 다이버는 무거운 무게로 인해 큰 어려움을 겪게 될 것이다. 또한 휜의 방향이 아래로 향하게 되어 바닥을 따라 이동할 때 많은 양의 침전물을 띄어 올리게 된다. 부력조절에 능숙해지면 약간의 노력만으로 자신의 신체를 자유자재로 제어할 수 있으며, 또한 바닥의 침전물을 띄어 올리는 일도 피할 수 있게 된다. 사실 바닥이 심한 뻘로 형성된 지역에서의 부력조절은 좋은 시야확보를 위해 대단히 중요하다.
  상승하는 동안 다이버는 BC로부터 팽창된 공기를 배출시킨다. 그러나 초보자의 경우 공기를 정확히 언제, 얼마만큼의 양을 배출시켜야 하는지를 아는 것은 쉬운 일이 아니다. 때때로 너무 많은 양이 배출되기도 하고 반대로 너무 적은 양이 배출되기도 한다. 정확한 양의 공기를 정확한 시기에 배출시키며 상승 도중 계속적으로 중성부력을 유지할 수 있어야 한다.

4. 공기 소모(Air Consumption)
  우리는 가끔 공기통 1개로 몇 분 동안 사용할 수 있는가 하는 질문을 받게 된다. 이 질문에 대한 대답은 개인의 공기소모율(air consumption rate)을 알아야 할 수 있다. 공기소모율은 이렇게 각각의 깊이와 활동에 대한 대략적인 사용가능 시간을 알게 하고, 평균치를 비교하면 각개인의 공기소모량을 알 수 있어 다이빙을 계획할 때 참고자료로 쓸 수 있다.
  공기소모율에 영향을 주는 요인은 수심, 활동량, 신체의 크기, 추위, 불안감 등이 있으나 이 중에서 수심과 활동량이 가장 크게 영향을 미친다. 수심은 공기소모율에 정비례한다. 공기소모는 수심 10미터에서는 수면의 2배, 20미터에서는 수면의 3배 빨라진다. 그 다음이 활동량인데 수중에서 힘을 쓰면 가만히 있을 때보다 최대 10배나 공기를 많이 쓴다. 그러므로 다이버는 가능한 힘을 적게 들이도록 노력해야 한다. 이 공기소모율은 경험이 쌓이면 상당히 감소한다. 얕고 빠른 호흡은 공기를 낭비하며 공기소모를 촉진시킨다.
  그런데 스포츠 다이빙에서는 공기소모율을 계산할 때 분당 사용한 공기의 부피를 말하지 않고 분당 감소되는 압력(psi/min)으로 대신한다. 물론 암산으로 압력계의 숫자로부터 공기의 부피를 계산하는 것이 가능하지만 그 보다는 압력의 단위를 그대로 사용하는 것이 훨씬 편리하다. 일반적으로 공기소모율을 계산할 때는 일정 수심(가령 10미터)에서 일정 시간(약 10분)동안 낮아진 압력을 시간으로 나눈다. 그러면 그 값이 그 수심에서의 공기소모율이 되는데 이렇게 계산된 공기소모율을 해당 수심에서의 공기소모율이므로 어느 정도인지 알기 어려우므로 쉽게 비교할 수 있도록 일반화시킬 필요가 있다. 그래서 수면공기소모율(SAC rateːSurface Air Consumption rate)을 사용하는데 이는 해당 수심에서의 공기소모율을 수면에서의 공기소모율로 환산한 것이다.
  예를 들어 어떤 다이버가 20미터에서 10분 동안 900 psi의 공기를 사용하였다면 이 다이버는 20미터에서 공기소모율이 분당 90 psi이고, 수면공기소모율은 20미터가 3기압이므로 90 psi를 3으로 나눈 분당 30 psi(SAC rate = 30 psi/min)가 된다. 이 계산은 공기소모율의 계산을 위한 계산기를 사용하여 할 수도 있다.
  일단 수면공기소모율을 알면 어떤 수심에서의 공기소모율도 계산할 수 있기 때문에 실질적으로 공기통의 사용가능시간을 알 수 있게 된다. 예로써 수면 공기소모율이 25 psi/min인 다이버가 1,500 psi의 공기로 수심 30미터에서 머물 수 있는 시간을 계산해 보자. 수심 30미터는 4기압이므로 이 다이버는 40미터에서 분당 100 psi의 공기를 사용한다. 따라서 약 15분간 사용이 가능하다.
  한 가지 주의할 점은 공기소모율은 실린더의 용량이 달라지면 바뀐다는 점이다. 대개는 80큐빅피트 3,000 psi의 실린더를 기준으로 해서 말하지만 다른 용량의 실린더를 사용할 경우에는 환산표를 이용하거나 강사의 도움을 받아 다시 계산을 하여야 한다.
  공기소모율은 처음 20번 정도 다이빙하기까지는 그 값이 상당히 큰 폭으로 바뀐다. 공기소모율이 안정될 때까지는 매 다이빙시 기록책에 기록하는 것이 좋다. 나중에 이 기록을 통해 외부 요인에 의해 얼마나 영향을 받는지 알 수 있기 때문에 다이빙 계획을 세우는데 큰 도움이 된다.