구름은 어떻게 하늘에 떠있을까?

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가끔 하늘 위의 구름을 보고 이런 생각을 해본적이 있을 것이다.
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‘구름은 어떻게 하늘 위를 떠다닐 수 있을까?’
 
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우리는 중학교, 고등학교 과학시간 때
 
‘구름은 증발된 수증기에 의해 형성된 크고 작은 물방울과 얼음조각, 그리고 수증기로 이루어져 있다.’
 
라고 배웠다.
 
 
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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.
 
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하지만 구름들의 크기를 생각한다면 좀 이상한 답변이다.
 
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뭉게구름은 보통 해발 500m 부터 형성되기 시작하고
 
일반적으로 뭉게구름의 경우 1m3 당 가지고 있는 얼음조각과 물의 양이 1g 정도 된다.
 
 
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그렇다면 가로 세로 1km 정도 되는 구름 속에는 약 1000t 이상의 물이 들어있는 셈이다.
 
노짱도 하늘에서 떨어지는데 이 어마어마한 무게를 가진 녀석은 왜 안떨어질까.
 
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이것을 알아보기 위해 우리는 구름에 작용하는 ‘힘’들을 생각해야한다.
 
일반적으로 구름에 작용하는 힘은 ‘중력’, ‘부력’, ‘구름에 작용하는 바람’ 이 있다.
 
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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.
 
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그럼 이제 구름에 작용하는 부력을 알아보자.
 
부력은 유체가 유체 속에 있는 물체에 작용하는 힘으로 
 
부력이 물체에 작용하는 중력보다 크게 되면 위로 뜨게 된다.
 
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공기의 부력을 확인하기 위해선 저울에 부피가 1 m되는 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.
 
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즉 공기 1 m에는 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!
 
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실제로 구름은 떨어지고 있다. 다만 그 속도가 너무 작기 때문에 눈치 채지 못하는 것이다!
 
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.
 
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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.
 
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반대로 날씨가 건조하고 하강기류가 많이 발생하게 되면 구름은 흩어지기 때문에 
 
가을의 하늘 처럼 깨끗한 하늘을 볼 수 있는 것이다~
 

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