구름은 어떻게 하늘에 떠있을까?

가끔 하늘 위의 구름을 보고 이런 생각을 해본적이 있을 것이다.

'구름은 어떻게 하늘 위를 떠다닐 수 있을까?'

우리는 중학교, 고등학교 과학시간 때

'구름은 증발된 수증기에 의해 형성된 크고 작은 물방울과 얼음조각, 그리고 수증기로 이루어져 있다.'

라고 배웠다.

뉴턴의 만류인력의 법칙에 의해 지구가 구름을 잡아당기고 있기 때문에 구름은 지상으로 떨어져야 할 것이다.

하지만 떨어지지 않는다. 그 이유를 물어본다면 사람들은

'아마 구름이 가벼워서 그렇지 않을까?' 라고 대답할 것이다.

하지만 구름들의 크기를 생각한다면 좀 이상한 답변이다.

뭉게구름은 보통 해발 500m 부터 형성되기 시작하고

일반적으로 뭉게구름의 경우 1m³당 가지고 있는 얼음조각과 물의 양이 1g 정도 된다.

그렇다면 가로 세로 1km 정도 되는 구름 속에는 약 1000t 이상의 물이 들어있는 셈이다.

비행기도 하늘에서 떨어지는데 이 어마어마한 무게를 가진 녀석은 왜 안떨어질까.

이것을 알아보기 위해 우리는 구름에 작용하는 '힘'들을 생각해야한다.

일반적으로 구름에 작용하는 힘은 '중력', '부력', '구름에 작용하는 바람' 이 있다.

먼저 부피 1 m³에 들어있는 공기만의 무게는 1 kg = 1000g 정도 된다.

물방울이나 얼음조각의 경우 1 m³당 1 g 을 가지고 있다고 했으니

공기를 포함한 부피 1 m³ 구름의 무게는 1001 g이 된다는 것이다.

중력이 땅 아래로 1001g 만큼 작용하고 있다.

그럼 이제 구름에 작용하는 부력을 알아보자.

부력은 유체가 유체 속에 있는 물체에 작용하는 힘으로

부력이 물체에 작용하는 중력보다 크게 되면 위로 뜨게 된다.

공기의 부력을 확인하기 위해선 저울에 부피가 1 m³되는 상자에 공기를 채워넣고 무게를 재어보면 되는데

상자의 무게를 빼고 잰다면 저울에 0 g이 뜰것이다.

이는 공기의 무게가 0이 아니라 '공기에 작용하는 중력 = 공기에 작용하는 부력' 이 같기때문에 그렇게 보이는 것이다.

즉 공기 1 m³에는 1000 g의 부력이 작용하는데 구름의 무게가 1001g 이라고 했으니

구름을 떠받칠 수 있는 공기의 부력이 1g 부족한 것이다.

63빌딩에서도 떨어지는 샤프심의 무게가 1 g 것을 감안하면

구름은 충분히 땅으로 떨어져야 마땅하다!

실제로 구름은 떨어지고 있다. 다만 그 속도가 너무 작기 때문에 눈치 채지 못하는 것이다!

1 m³의 구름에 작용하는 1 g의 무게는 구름 속의 물방울에게 작용하게 되는데

1 g의 중력에 의해 물방울이 떨어지는 속력을

떨어지는 물방울의 단면적과, 공기 저항을 고려하여 계산해보면

초속 0.013 m 즉, 초속 1 cm 가 된다.

결국 구름 속 물방울들은 달팽이 보다 천천히 떨어지고 있는 것이다.

하지만 초속 1 cm의 바람이 불지도 않는 날은 없다.

바람은 미세한 온도차이나 기압차이로도 쉽게 만들어지기 때문에 구름 속 물방울을 둘러싼 공기가

초속 1 cm만으로도 움직이게 되면 물방울은 떨어지는게 아니라 제자리에 있게되는 것이다.

상승기류의 속력이 초속 1 cm 보다 크게 되면 구름은 어디든지 날아다닐 수 있게 된다.

반대로 날씨가 건조하고 하강기류가 많이 발생하게 되면 구름은 흩어지기 때문에

가을의 하늘 처럼 깨끗한 하늘을 볼 수 있는 것이다~

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