최근 여름철 더위를 식히기 위해 실내외 수영장을 찾는 사람이 많다. 차가운 물 속에서 수영을 하고 나면 잠시나마 더위를 잊는 듯하다.

그런데 사람은 물고기처럼 지느러미도 없는데 어떻게 물속에서 헤엄을 치며 앞으로 나아갈 수 있을까? 또 사람의 몸은 어떻게 물 위에 뜨는 걸까? 수영에 숨은 과학원리에 대해 함께 살펴보자.

밀도 작을수록 물 위에 잘 떠요

같은 크기의 스티로폼과 쇳덩이를 물에 넣어보자. 가벼운 스티로폼은 물 위에 둥실 떠오르지만 무거운 쇳덩이는 물속에 가라앉을 것이다. 쇳덩이는 스티로폼과 크기가 같은데 왜 물 위에 뜨질 못할까? 그 이유는 쇳덩이의 밀도가 스티로폼보다 크기 때문.

밀도란 ‘물질이 모여 있는 정도’를 말한다. 밀도가 작은 스티로폼은 군데군데 구멍이 나 있다. 그만큼 물질이 얼기설기 모인 것. 반면 밀도가 큰 쇳덩이는 물질 사이의 틈이 별로 없다. 크기가 같더라도 밀도가 더 큰 물질이 더 무겁다. 물보다 밀도가 큰 쇳덩이는 물속에 가라앉을 수밖에 없는 것.

그럼 사람의 몸은 물보다 밀도가 클까, 작을까? 대체로 지방의 밀도는 물보다 작고 근육의 밀도는 물과 비슷하거나 물보다 크다. 그래서 근육보다 지방이 많은 사람의 몸통은 물보다 밀도가 작은 반면 근육이 많은 팔과 다리는 물보다 밀도가 크다. 이것이 몸통이 하체보다 물 위에 잘 뜨는 이유. 수영할 때 다리로 열심히 물장구를 치는 것도 물속에 잠기는 다리를 물 위에 떠오르게 하기 위해서다.

물이 물체를 밀어내요

사람은 물속에 있을 때 ‘부력’을 받게 된다. 부력이란 무엇일까. 물속에 어떤 물체를 넣었을 때 그 물체는 물속에서 자신이 차지하는 부피(넓이와 높이를 가진 물건이 공간에서 차지하는 크기)만큼의 물을 아래로 밀어낸다. 물체를 아래로 끌어당기는 힘인 ‘중력’을 받았기 때문이다. 이때 물 역시 반대로 물체를 위로 밀어낸다. 물이 물체를 위로 미는 힘을 부력이라고 한다.

물체의 부피가 클수록 물이 물체를 위로 밀어내는 부력도 커진다. 예를 들어 무게가 같은 찰흙 덩어리와 그릇 모양으로 만든 찰흙 모형을 물에 넣어보자. 덩어리는 물속에 가라앉지만 그릇 모양의 모형은 물 위에 뜰 것이다. 그릇 모양의 찰흙 모형은 찰흙 덩어리보다 부피가 크기 때문에 더 많은 부력을 받아 물에 뜨는 것이다.

더 멀리 더 빠르게

물속에서 사람은 물살을 가르며 헤엄을 친다. 이때 사람이 앞으로 나아가려는 힘을 ‘추진력’이라고 한다. 반면 사람이 물속에서 움직일 때 발생하는 물결은 사방으로 소용돌이친다. 이는 사람의 움직임을 방해하는 힘인 ‘저항력’이다.

수영하는 동안 빠르게 앞으로 나아가려면 추진력이 저항력보다 커야 한다. 저항력을 줄이기 위해선 저항력을 받는 몸의 면적을 줄여야 한다. 수영 방법의 하나인 ‘크롤 영법’으로 헤엄치면 저항력을 최대한 줄일 수 있다. 크롤 영법이란 엎드린 자세로 팔을 들어 올려 번갈아 휘저으며 발차기를 하는 수영 방법을 말한다.

크롤 영법은 몸을 유선형(두 손과 발은 서로 붙인 채 쭉 내밀고 등은 둥글게 마는 형태)으로 만들어 헤엄쳐야 한다. 그러면 몸 주위로 물이 자연스럽게 흘러 물결이 소용돌이치지 않는다. 또 물속에서 한쪽 팔을 휘젓는 동안 다른 팔과 어깨는 물 밖에 내놓아 물속에서 저항력을 받는 몸의 면적을 줄인다.

▶공혜림 기자 hlgong37@donga.com