수은 기압계

갈릴레오의 친구이자 제자였던 에반젤리스타 토리첼리는 1644년에 공기도 질량이 있고, 이 무게 때문에 가는 관 속의 물이 10m 이상 올라가지 못하는 것이라는 주장을 펼쳤다. 그가 마법에 빠져있다는 소문이 있었기 때문에, 가능한 한 자신의 실험을 비밀리에 하고 싶었던 토리첼리는 실험을 위해 10m나 되는 관이 필요한 물보다 훨씬 밀도가 높은 액체 물질을 찾으려 애썼다. 만약 그런 물질을 찾는다면 관의 높이가 10m보다 훨씬 낮아져도 되기 때문이었다.

그가 물을 대신할 물질로 찾아낸 것이 바로 수은이었다. 수은의 밀도는 물보다 16배나 높았으므로 실험에 필요한 관의 길이는 10m의 16분의 1인 65cm에 불과했다.

프랑스의 수학자이자 물리학자인 블레즈 파스칼은 토리첼리의 수은 기압계 실험을 반복하면서 한 걸음 더 나아갔다. 파스칼은 자신의 매제로 하여금 기기를 가지고 산 위로 올라가서 실험하도록 했는데, 실험 결과 수은은 높은 산에서는 낮은 곳에서보다 관 속에서 높이 올라가지 않았다. 이 현상에 대해 파스칼이 내린 결론은 높은 곳에서는 공기가 희박해서 공기의 압력이 낮아지기 때문이라는 것이었다. 그는 이 이론을 바탕으로 공기의 압력은 고도가 높을수록 낮아진다는 결론에 이른다. 실제로 고도가 높아지면 공기가 없는 진공 상태가 시작된다. 압력을 나타내는 단위는 그의 이름을 따서 파스칼(Pa)이라고 지어졌으며, 1Pa은 1N(힘의 단위 Newton. 1N=1)의 힘이 1m²에 가하는 압력을 뜻한다.

유체역학

물을 비롯한 액체는 인류가 수천 년에 걸쳐 사용해온 물질이지만, 액체의 특성이 알려지기 시작한 것은 18세기 중엽에 들어서면서이다. 네덜란드계 스위스 물리학자 다니엘 베르누이는 1738년에 액체와 기체에 관한 연구 결과를 《유체역학(Hydrodynamica)》이라는 제목으로 출판했다. 베르누이는 빠르게 흐르는 물이 느리게 흐르는 물보다 더 큰 압력을 만들어내고, 이런 현상은 모든 액체와 기체에서 동일하게 나타난다는 것을 알아냈다.

그는 수평으로 놓인 굵은 관에 물이 흐르게 하고 가느다란 관을 수평으로 놓인 관의 아래쪽에 U자 모양으로 연결한 뒤 아래쪽 관에 물이 차오르는 현상을 관찰했다.

이론에 의하면 수평으로 놓인 관의 굵기가 가늘수록 수압이 낮아져 U자 모양의 아래쪽 관에는 물이 더 높이 차올라야 했다.

실험결과 수평관의 지름이 반이 되면 수압은 4배가 되었고, 수압은 관의 지름 제곱에 반비례한다는 것을 알게 되었다.

베르누이의 정리는 이것을 수학적으로 표현한 것으로, 관 속을 흐르는 액체가 단위 질량 당 갖는 동압력과 정압력, 위치 에너지의 합은 일정하다는 것을 나타내며, 사실상 에너지 보존의 법칙을 유체의 흐름에 적용한 것이라 할 수 있다. 비행기가 뜨고, 날씨를 예측하며, 별과 우주의 기체가 움직이는 것과 같은 현상들은 모두 베르누이의 정리로 설명될 수 있다.

아버지의 압력 때문에 의학 교육을 받았던 베르누이는 인체의 혈액 순환에 대해 많은 관심이 있었고, 혈압을 측정하는 방법을 고안했다. 그가 고안한 방법은 매우 직접적인 것으로, 모세관을 혈관에 꽂고 피가 어느 높이까지 올라오는지를 보는 것이었다. 다분히 무지막지해 보이지만, 이 방법은 1896년에 이르기까지 150년 이상 사용된 유일한 혈압 측정법이었다.

유체도 고체와 마찬가지

모든 물질이 원자로 이루어져 있다는 사실이 보편적으로 받아들여지기 전까지는, 고체와 유체의 특성을 아울러서 생각할 만한 까닭이 없었다. 그러나 액체와 기체도 분자로 이루어져 있다는 사실이 밝혀지자, 수압이나 기압은 분자의 운동이 다른 물체에 미치는 힘이라는 것이 명백해졌고, 브라운 운동에서 보이는 분자의 움직임은 원자의 존재를 보여주는 부인할 수 없는 증거였다. 원자론이 확고하게 받아들여진 것은 20세기 초반의 일이었고, 이와 동시에 뉴턴 역학의 허점이 드러나기 시작했다.