구름도 떨어지고 있다!

지구에서는 질량을 가진 물체라면 중력에 의해서 떨어지는 현상이 발생한다. 따라서 입자를 가진 구름도 역시 중력에 의해 영향을 받는다. 구름의 무게는 가로, 세로, 높이가 각각 1km인 경우 약 50만kg의 무게가 나가게 된다. 그런데 왜 구름은 하늘에 둥둥 떠 있을 수 있는 걸까?

바로 종단속도 때문이다. 종단속도란 공기저항 중 점성저항(kv)과 중력의 크기(mg)가 동일할 때 물체가 떨어지는 일정한 속도를 의미한다. 점성저항(kv)은 높은 데서 기압이 낮은 쪽으로 작용하는 힘으로 고도가 높을수록 공기가 희박해지므로 아래에서 위로 작용하게 된다. k는 점성저항계수로 유체의 종류와 상태, 물체의 표면적에 의해 정해지는 값이다.

[이미지 제작=대한민국청소년기자단 윤수정 대학생기자]

공기 저항은 속도가 커질수록 똑같이 커진다. 그래서 떨어지는 속도가 2배가 되면 공기 저항도 2배가 된다. 중력가속도에 의해 가속이 되면서 공기저항 역시 커지게 된다. 공기 저항의 크기가 물 입자의 질량과 같아지면 중력과 공기 저항이 같아져 더 이상 가속되지 않게 되어 등속 운동을 한다. 이 속도를 ‘종단속도’라고 한다. 종단속도의 공식은 kv=mg에 의해서 v=mg/k로 정의된다. 종단속도는 표면적의 크기와 반비례한다. 표면적은 덩어리에서 쪼개지는 횟수가 많을수록 커진다. 

아래 표에서 반경이 작아지게 된다는 것은 쪼개지는 횟수가 증가한다는 것이고 이로 인해 표면적이 커지게 된다는 의미이다. 표면적이 커질수록 종단속도는 느려지는 것을 볼 수 있다.

[이미지 제작=대한민국청소년기자단 윤수정 대학생기자]

종단속도가 매우 작아지게 되면 구름이 내려오는 속도가 매우 느려진다. 따라서 구름이 둥둥 떠 있는 것처럼 보이게 된다. 

[대한민국청소년기자단 IT·과학부=2기 대학생기자 윤수정]