1. 공기의 흐름과 저항

집에 창문이 열려 있으면 딱히 주변에 바람이 불지 않아도 방문이 세게 닫히며, 심지어 방문이 스스로 꽝 닫히기도 한다.
본인 역시 아주 어린 시절부터 이 현상에 대해 인지하고 있었다. 다시 말하지만, 바람이 안 불어도 이런다. 왜 이런 현상이 발생할 수밖에 없는지를 단순 직관이 아니라 수식을 동원해서 제대로 설명하려면 중등 수준을 넘는 어려운 유체역학 이론이 필요할 것이다.

고속 주행하던 열차가 갑자기 좁은 터널로 들어갈 때 급격한 압력 변화와 저항을 경험하는 것, 그리고 물을 들이붓는 것도 공기가 같이 빠져나가게 해 줘야 더 빨리 되는 것 등.. 우리 주변에 공기는 아무 존재감 없는 ‘공기’ 같아도 실제로는 존재감이 생각보다 크다.

공기 저항이 있기 때문에 우리는 저 높은 곳에서 떨어지는 빗방울을 맞아도 죽거나 다치지 않는다. 공기 저항은 교통수단이 주행하는 것을 어렵게 만들지만, 한편으로 그 무거운 비행기를 공중으로 띄우는 양력을 만들기도 한다. 그야말로 양날의 검 같은 존재가 아닐 수 없다.

2. 열의 흐름

(1) 뙤약볕이 내리쬐는 한여름에 자동차를 창문을 꼭꼭 닫은 채 실외에 세워 놓으면 내부의 온도가 잘 알다시피 7, 80도까지 치솟는다. 사람이 거기에 장시간 있으면 열사병으로 졸도하거나 심지어 죽을 수도 있다. 차내에 놔 둔 음료수 캔은 팽창해서 터지며, 라이터는 연료에 불이 붙을 수도 있다. 차내에 비치된 블랙박스나 카오디오 같은 전자기기들은 그런 온도도 버틸 수 있을 정도로 튼튼하게 만들어져야 한다.

이런 게 온실효과이다. 유리창이 열을 붙잡아 두는 온실효과가 더 큰 듯하다. 그래서 유리궁전 형태로 만들어진 건물들은 냉방비도 많이 든다고 한다.
그럼 밀폐된 차내에서 사람이 계속 호흡을 해서 이산화탄소와 수증기의 농도가 더 짙어지면.. 같은 조건에서 차내의 온도가 더 빠르게 혹은 더 고온으로 올라가는 걸까? 기체가 일으키는 온실효과를 실험실 실험 수준으로 관찰하고 확인하는 방법이 좀 있으면 좋겠다.

온실효과는 단열재의 단열과는 다른 현상이다. 한여름에 아이스크림을 최대한 덜 녹이고 운반하고 싶으면.. 굉장히 의외이지만 차라리 패딩 점퍼나 외투로 감싸는 게 낫다. 유리창은 열을 일방통행만 시키지만 외투는 열의 이동을 어느 방향으로든 저지하기 때문일 것이다.

(2) 환절기여서 낮과 밤의 일교차가 아주 크다던가.. 한겨울에 등산을 가서 와들와들 떠는 상태와 땀을 뻘뻘 흘리는 상태가 널뛰기 하듯 바뀌는 것을 대비해야 한다면 우리는 옷을 어떻게 입을지 고민하게 된다. 얇은 옷 세 겹을 챙길지 네 겹 챙길지?
아주 얇은 옷 + 두꺼운 외투로 할지, 아니면 적당히 두꺼운 옷 두 겹으로 할지 같은 것 말이다.

그런데 이게 자동차로 치면 변속기의 단수와 각 단별 기어비를 어떻게 편성할지 고민하는 것과 개념적으로 굉장히 비슷해 보인다. 너무 두껍게 입어서 더워지는 것은 저단이고, 너무 얇게 입어서 추위에 떠는 것은 고단에 대응한다.
다만, 인간의 옷 중에는 자동이나 무단 변속기에 대응하는 물건은 아직까지 없어 보인다.

(3) 자동차 엔진 내부는 공기보다 열량이 월등히 더 많은 '냉각수'의 적정 온도가 70~95도대인 엄청난 고온 고압의 환경이다. 사람이 맞았다간 곧바로 화상을 입을 뜨거운 물이 엔진을 식히는 데 쓰인다는 뜻이다.
그러니 겨우 4~50도 정도의 한여름 땡볕만으로 차가 퍼지거나 엔진에 당장 문제가 생기지는 않는다. 가을· 겨울이라도 냉각수가 새어 없어졌거나 냉각 계통에 기계적인 문제가 생겼을 때 곧장 과열되고 고장 난다. 그리고 엔진보다는 타이어의 공기압 부족으로 인한 과열이 한여름 땡볕에 취약할 뿐이다.

한편, 인간 같은 생물은 단백질로 이뤄져 있고 효소의 도움으로 물질대사를 하는 특성상 온도의 변화에 생각보다 매우 취약하다. 체온이 약간만 오르내려도 신체에 큰 탈이 나며, 체온보다 몇십 도 높은 액체나 고체에 접촉하면 화상을 입는다. 고온에 잠깐이든, 저온에 오랫동안이든 어느 것이든 말이다. 단, 같은 열을 얼마나 먹었을 때 온도가 얼마나 변하는지는 물질마다 케바케이다.

3. 물의 흐름

자연에서 물이 순환하는 원리, 그리고 강과 바다의 물리적인 차이 같은 것도 어린이용 교양 과학 서적에서 다룰 정도로 기초적인 내용이지만, 한편으로 성인 전공자가 아니면 그게 그렇게 될 수밖에 없는 구체적인 메커니즘을 잘 모를 것이다. 예를 들어..

(1) 근원: 전에도 몇 번 언급했던 적이 있지만 비가 오랫동안 안 오고 있을 때도 산의 높은 계곡에는 어떻게 물이 흐를 수 있을까? 강의 origin, 발원지라는 곳에 가면 무슨 광경을 볼 수 있을까? 그 지점을 정확하게 추적하는 게 가능은 한가? 뭐, 강물이 흘러오는 쪽으로 한없이 이동만 해 보면 되겠지만, 그게 말처럼 쉬운 일만은 아닌 것 같다.

(2) 지하수: 평범한 지표면도 아니고 흙 아니면 돌밖에 없어 보이는 땅 속에서 어떻게 물이 고여서 흐르기까지 하는 지형이 만들어질 수 있을까? 지하수는 지하철을 건설할 때 복병으로 작용하기도 한다. 이 때문에 지하 시설은 환기 시설뿐만 아니라 지하수를 딴 데로 퍼 내는 물 펌프가 상시 가동되어야만 유지 가능하다.

(3) 성분 차이: 강이 하류로 갈수록 물맛이 점진적으로 짜지는 게 아니다. 파도가 거슬러 올라오고 바닷물과 직접 마주치는 하구 지점부터 갑자기 확 짜질 뿐이다. 정황상 바다는 강물의 유입과 무관하게 처음부터 원래부터 짰던 것 같다.
물론 염호라는 곳도 있긴 하다. 하지만 바다는 그렇게 전통적인 방식으로 축적과 증발만 반복하면서 소금물이 되기에는.. 넘사벽급으로 너무 넓고 수량이 많다. 호수와는 별도로 생각해야 할 것 같다.;;

(4) 음향: 작은 계곡이나 시냇물은 졸졸졸 흐르는 소리가 나고, 바다에서는 파도 소리가 난다. 그에 비해 강의 중· 하류는 물이 가장 조용히 천천히 흐르는 것 같다.

(5) 수위 상승: 전에도 한번 언급했던 바와 같이, 강물은 폭우와 댐 방류 때문에 수위가 올라가고, 바다는 기조력 변화와 쓰나미 때문에 수위가 올라간다. 힘의 원천이 근본적으로 서로 다른 셈이다. 강물에 수력 발전이 있다면 바다에는 조력과 파력 발전이 있다.

지표면에 물을 얼마나 넓고 깊게 많이 부어 놓으면 땅과의 온도차로 인해 수면에 바람이 불기 시작하고 물결이 일고 파도가 치기 시작하는 걸까? 그걸 수식으로 어떻게 유도 가능할까? 그나마 커다란 수영장이나 호수의 경우를 생각하면서 사고실험을 할 수도 있을 것 같은데 문득 궁금하다.

끝으로, 강물은 직류 기반의 지하철, 바다는 교류 기반의 광역전철 내지 일반열차에 대응하는 것 같다는 생각을 본인은 오래 전부터 해 왔다. 연어는 직· 교류 겸용 전동차에 대응한다고 볼 수 있다. ㅡ,.ㅡ;;.

4. 불의 흐름

화재 현장에는 소방관을 순직시키는 데 매우 큰 기여를 하는 위험한 현상이 둘 있다.

  • 백 드래프트: 밀폐된 장소에서 불이 활활 잘 타다가 산소만 다 떨어지고 없어서 불길이 겉보기로 사그라들었는데.. 누군가 부주의하게 문이나 창문을 열자, 산소가 새로 유입되어 불길이 폭발적으로 확 살아나면서 문을 열었던 사람까지 덮치는 현상이다.
  • 플래시 오버: 불타던 기물들이 가연성 가스로 기화해서 천장에 자욱하게 떠 올라갔는데(나무로 치면 목가스 같은..).. 열기로 인해 주변 온도가 그 기체들의 발화점 이상으로 올라갔을 때 현장이 한꺼번에 화염으로 휩싸이는 현상이다.

둘 다 뭔가 화재계의 스탑 럴커 내지 얼라이 마인이나 마찬가지이다. 단지, 연소의 3요소 중에서 전자는 산소가 기폭제이고, 후자는 열이 기폭제라는 차이가 있을 뿐이다. 연료야 갑자기 더 주어지는 일이 없을 테니 논외이다.
실내 화재 현장이라는 게 건물· 구조물이 붕괴될 위험이 있고 또 밀폐된 공간도 있기 때문에 소방관이 접근하기가 더욱 위험한 것 같다.

야외의 산불은 절대적인 규모가 무식하게 너무 크고 불씨가 바람을 타고 날아다니면서 불을 퍼뜨리는 것 때문에 진화가 매우 어렵고 위험할 것이다. 하지만 저런 플래시 오버 / 백 드래프트 같은 지뢰에 대비해야 할 필요는 없을 것이다. 여느 산악 야전과 시가전이 전술이 다르듯이, 화재 진압 방법론도 실내와 실외는 차이가 있는 것 같다.

5. 의외의 미스터리

  • 얼음판이 미끄러운 이유는? (단순히 표면이 살짝 녹기 때문만은 아니라고 하는데..)
  • 하품이 나는 이유는? (단순히 산소가 부족해서? 이산화탄소가 과다해서? 졸려서..??)
  • 천둥· 번개가 가능한 이유는? (물방울· 얼음덩어리에 지나지 않는 구름이.. 그 많은 전기 에너지를 어떻게 머금을 수 있지? 정말 획기적인 배터리 기술인데..)

이것들은 우리 주변에서 비교적 쉽게 볼 수 있는 현상이지만 의외로 원인이 아직도 딱 떨어지게 정확하게 규명되지 않았다고 한다.
손으로 쇠붙이를 만졌을 때 나는 '쇠냄새'는 금속 자체에서 나는 냄새가 아니라 손에서 묻은 분비물(...;; )이 쇠에 닿아서 변질되면서 생기는 냄새라고 하는데.. 이게 밝혀진 지도 그리 오래되지 않았다.

Posted by 사무엘

2021/09/12 08:35 2021/09/12 08:35
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