내가 철도를 한 5년만 더 일찍 알았으면 학창 시절에 지리와 물리 공부를 훨씬 더 열심히 했을 것이고, 지금의 국어 정보학 대신 아예 이 진로를 선택했지 싶다. =_=;; 하지만, 그 경우 <날개셋> 한글 입력기가 태어나진 못했겠지. (한숨)

글을 쓰고 보니 비행기 쪽 얘기가 너무 길어지긴 했다만..

1. 달리는 자전거가 쓰러지지 않는 이유는?

여기에 대해서는 여러 관점에서 설명이 가능하다. 돌고 있는 팽이가 쓰러지지 않는 이유와도 비슷한 맥락에서 볼 수 있다.

회전하는 모든 물체에는 잘 알다시피 원심력이 발생한다. 팽이는 좌우로 원심력이 발생하고, 돌고 있는 자전거의 바퀴도 상하로(=지면과 수직으로) 원심력이 응당 발생한다. 이는 바퀴 자체나 팽이가 크거나 무거울수록, 그리고 회전 속도가 빠를수록 더욱 커지며, 이 상태가 관성에 의해 유지되다 보니, 자전거의 안정적인 주행이 가능해진다. 이따금씩 발생하는 바퀴 좌우의 무게 불균형이 상하 원심력으로 극복 가능하고, 균형 보정을 위한 핸들 조작이 가해지는 한 자전거는 쓰러지지 않는다.

자전거는 고효율· 친환경 교통수단으로서 인간의 매우 유익한 발명 중의 하나이다.
여담이다만, 꼭 원심력 때문은 아니더라도 우리 주변에는 이런 식으로 의문을 품을 법한 현상이 있는 것 같다. 예를 들면,

- 자전거 페달로는 전진만 가능하고 후진이 되지 않는 이유는?
- 고압선 위에 앉은 새가 감전되지 않는 이유는?
- 종이 그릇으로 물을 끓였는데 종이가 타지 않는 이유는?

2. 철로 만들어진 집채만 한 배가 어떻게 물에 뜰까?

잘 알다시피 그 이름도 유명한 부력(buoyancy) 덕분이다.
물은 공기와는 달리 그렇게 가벼운 물질이 아니기 때문에, 아무 물질이나 호락호락 가라앉히지 않는다. 아니, 질량을 가진 모든 유체(fluid)엔 원래 그런 특성이 있다. “너만 중력이 있냐? 나도 있다” 그래서 유체 속의 물체를 밀어낸다. 그 이름도 유명한 아르키메데스의 원리 되시겠다.

쇠로 만들어진 배가 물에 뜨는 것은, 그 배의 무게에 해당하는 물의 부피만치 배의 아랫부분이 이미 물에 잠겨서 힘의 평형이 상하로 이뤄졌기 때문이다. 그만큼 물의 밀도도 만만찮으며, 배도 생각보다 많은 부분이 물속에 가려져 있다.

물체 전체의 부피만 한 물의 무게로도 물체의 무게를 감당하지 못해야만 물체가 물 밑으로 한없이 가라앉을 것이다. 그래서 내부에 공기가 많은 깡통은 물에 뜨지만 찌그러진 깡통은 곧장 가라앉는다. 물이 새기 시작한 배가 침몰하는 건, 당연한 말이지만 물이 공기보다 훨씬 더 무겁기 때문.

물에 여러 물질을 녹여서 밀도를 키우면 부력도 응당 증가한다. 그래서 맹물에서는 가라앉을 물체가 소금물에서 뜨며, 최강의 소금 농도를 자랑하는 사해 바닷물은 사람까지 둥둥 띄우게 된다.
이런 맥락에서 배가 물에 뜨는 것은 어디서나 재연 가능한 과학 법칙일 뿐, 물 위를 걸은 예수님의 기적(마 14:25-26) 같은 현상은 결코 아님을 알 수 있다. ^^;;

3. 공기보다 무거운 비행기는 어떻게 하늘로 뜰 수 있을까?

이건 위의 질문보다 더욱 어렵다. 하긴, 18~19세기엔 저명한 물리학자들조차도 가능하다고 믿지 않았던 것이니 말이다. 비행기의 발명은 가히 어마어마한 업적이 아닐 수 없다.

A4 용지를 준비해서 직사각형의 네 변 중 짧은(21cm짜리) 변을 이루는 두 꼭짓점을 손으로 잡고 입가로 가져간다. 잡고 있지 않은 맞은편 두 꼭짓점은 아래로 축 늘어질 것이다.
이 상태로 종이의 윗부분(아랫부분 말고)을 힘껏 훅~ 불어서 바람을 만들면...;; 놀랍게도 늘어졌던 종이가 벌떡 위로 펴질 뿐만 아니라 더욱 위로 올라가려 하면서 펄럭거리기까지 할 것이다.

종이의 아랫부분을 훅 불면, 아래로 쳐져 있던 종이가 바람을 직접 받아서 위로 펴지는 게 이해가 되겠다만, 종이가 닿지 않는 윗부분에 바람이 부는데 왜 아래의 종이가 붕 뜨게 될까??

바로 이것이 오늘날 고정익 항공기가 하늘로 뜨는 이론적 배경이라고 한다. 베르누이의 원리라고 불리는데, 비행기의 날개는 폼으로 있는 게 아니라 주변 공기의 흐름을 교묘하게 바꿔 압력차를 만듦으로써, 아까 저 종이와 같은 양력(lift)을 만들어서 비행기를 띄우기 위해 존재한다. (잘 이해는 안 되지만, 뭔가.. 냉장고와 에어컨의 동작 원리만큼이나 신기하다) 날개 표면이 이물질로 인해 조금만 울퉁불퉁해지기만 해도, 생성되는 양력이 크게 떨어지므로 주의해야 한다.

그런데 공기의 흐름부터 만들어야 이로부터 양력이고 자시고가 생길 것이므로 이를 위해서는 비행기 자체가 무진장 빠른 속도로 앞으로 나아가야 하며, 이것이 바로 비행기의 엔진이 하는 일이다. 비행기의 엔진은 공기를 뒤로 뿜음으로써 추력을 만들지, 자동차의 엔진처럼 피스톤을 회전시키는 방식은 아니다. 이 메커니즘 때문에 고정익 항공기는 이륙을 위해 긴 활주로가 필요하며, 반대로 사뿐히 내려앉기 위해서도 활주로가 필요하다.
자동차의 고급 옵션 중 하나인 ABS 브레이크가 원래는 이런 비행기에서 쓰이던 기술이 자동차에도 덩달아 도입된 걸로 잘 알려져 있다.

비행기가 이륙할 때는 주변의 컨테이너나 소형 승용차마저 팬에 빨려들어갈 정도로 어마어마한 괴력으로 주변 공기를 빨아들인다. 그래서 비행기가 이륙할 때는 ‘웽~’하는 엔진 내지 팬 소리보다도 ‘쿠르르릉!’하는 박진감 넘치는 바람 가르는 소리가 더 크게 들리는 것이다.

그럼, 고정익 항공기 말고 다른 비행체는 어떨까?

- 헬리콥터: 가벼운 바람개비를 빠르게 돌려 놓고 손에서 떼면, 이것도 잠시나마 하늘에 살짝 떴다가 떨어지는 걸 알 수 있다. 고정익 항공기와는 근본적으로 다른 발상으로 만들어진 이런 부류의 회전익 항공기는 비록 수송력과 경제성은 크게 떨어지지만, 한 방향으로 지속적으로 초고속 이동을 해야만 양력이 유지된다는 한계에 매여 있지 않다. 그래서 긴 활주로 없이도 손쉽게 이· 착륙을 할 수 있으며, 공중에서 3차원 여섯 방향으로 자유롭게 이동하고 공중에서 정지해 있을 수도 있다.

헬리콥터의 로터는 개념상 날개이지 프로펠러가 아니다. 회전익 항공기라는 개념은 수백 년 전에 레오나르도 다 빈치도 상상을 했을 정도이지만, 이것이 실제로 만들어지기 위해서는 로터를 회전시킬 수 있는 가벼우면서도 출력이 굉장히 좋은 고성능 엔진이 먼저 발명되어야만 했다.

- 비행선: 물에 적용되는 배, 아니 어찌 보면 잠수함의 원리를 공기에다가 접목-_-한 것이다. 비행체의 밀도가 공기보다도 가벼워지도록 어마어마하게 큰 부피의 수소나 헬륨을 적재한다. 고도 조절은 잠수함이 심도를 조절하는 것과 비슷한 방법으로 하며, 엔진은 방향과 속도 조절용으로만 쓴다. 매우 저렴한 동력비로 하늘에 조용하고 우아하게 뜰 수가 있고 심지어 엔진이 꺼져도 곧바로 추락하지는 않으나..... 역시 수송력이 열악하고 주행 속도가 매우 느리며(빨라 봤자 100~150km/h대. 자동차급밖에 안 됨), 비행 고도도 오늘날의 항공기보다 훨씬 낮은 데다가 덩치까지 엄청 크다 보니 보안에도 매우 취약한 게 흠이다.

사용자 삽입 이미지
비행선은 양력이 아니라 부력-_-으로 뜨기 때문에 날개는 없다.
그런데, 공기보다 밀도를 낮추기 위해 비행선이 얼마나 덩치가 커야 했냐 하면.. 위의 그림과 같은 정도이다. 우주에서 가장 가벼운 원소인 수소를 집어넣었는데도! (그림은 과거의 수소 비행선 힌덴부르크 호, 보잉 747, 그리고 여객선 타이타닉 호) 그래 봤자 저 비행선의 승객 정원은 초음속 여객기 콩코드와 비슷한 겨우 100여 명 안팎으로, 무려 450명 가까이나 탈 수 있는 747의 1/4 수준도 안 됐다.

- 로켓: 다른 항공기들은 하늘로 떠서 다른 지점으로 이동하는 게 목적인 반면, 얘는 수단과 방법을 가리지 않고 오로지 하늘 위로 최대한 높이 뜨는 것 자체만이 목적이다. 유체고 나발이고 없이 오로지 작용· 반작용의 법칙만을 이용해서 나아가므로, 날개도 필요 없고 오히려 유체의 저항이 없는 진공이 유리할 것이다. 연료 소모가 매우 심하고 유인 로켓의 승무원은 발사 직후에 어마어마한 압력에 짓눌려야 하지만, 지구의 육중한 중력 가속도를 뚫고 수백 km 이상의 고도로 우주로 나가기 위해서는 이것만이 현실적으로 유일한 방법이다.

지구 중력의 탈출 속도는 초속 11.2km가량 된다. 지표면에서 이 정도 속도로 공을 던지면 지구로 되돌아오지 않을 경지에 이른다는 뜻. 하지만 이 속도는 음속의 무려 30배를 상회할 뿐만 아니라, 공기와의 저항과 마찰, 그리고 엔진 기술의 한계 때문에 지표면에서 결코 낼 수 없는 속도이다. 성층권에서 겨우 마하 2.x 정도로 비행한 콩코드만 해도 소닉 붐 같은 충격파에, 공기 마찰 때문에 열받아서 수백 도로 벌겋게 달아오른 기체의 유지 보수 난이도가 장난이 아니었다.
로켓은 그 탈출 속도보다는 당연히 훨씬 느리게 뜬다. 하지만 발사 후에도 연료 배기 가스를 뿜어서 동력을 지속적으로 공급하기 때문에 그 밑천으로 지구 대기권을 빠져나가는 것이다.

- 새들-_-: 비행기를 연구하고 설계한 사람들이 새의 날갯짓을 매우 세밀히 관찰하고 벤치마킹 했다는 건 잘 알려진 사실이다. 새들은 인간이 만든 비행기처럼 주변 공기를 다 빨아들이지도 않으며, 헬리콥터처럼 날개에 이물질이 닿는다고 해서 바로 박살이 나지도 않는다. 항공계의 영원한 골칫거리인 조류 충돌(bird strike)이나 연료 폭발 같은 건 더욱 없다. 새의 놀라운 비행 원리에 대해 이런 거야말로 진화의 산물로는 결코 만들어질 수 없으며 지적 설계와 창조의 증거라고 특히 창조 과학 좋아하는 분들이 많이 주장을 하는데, 일리가 있는 말이다.

Posted by 사무엘

2011/11/27 08:26 2011/11/27 08:26
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  1. 백성 2011/11/27 19:49 # M/D Reply Permalink

    야호, 물리가 나오는군요. 이로서 주제 증가.

    1. 여담이지만, 원심력은 구심력에 의해 생기는 일종의 관성력이지요.
    원운동 및 원운동으로 근사시킬 수 있는 모든 (등속도로 근사시킬 수 있는) 회전운동을 할 때 위치벡터의 2계도함수를 구해 보면 가속도의 방향이 구심(球心)으로 기울어진다는 것을 알 수 있습니다. 이것이 구심가속도인데요,
    힘 벡터는 가속도 벡터와 어차피 방향이 같을 수밖에 없는 것이니(F=ma, 벡터*스칼라=벡터) 그것에 의해 구심력이 생기는데, 그것은 뒷바퀴 이야기이고 앞바퀴는 관성에 의해 원심력이 생기니 앞바퀴가 빙글 돌아서 쓰러지는 걸 막아서게 되고, 이것 때문에 기울어지는 자전거는 흔들리는 쪽으로 핸들을 돌려야 다시 일어설 수 있는 것이지요.

    2. 배의 질량은 정해졌다 치고.. 배가 물을 누르는 압력은 질량/닿는 면적 이기 때문에 결론은 배의 면적을 무식-_-하게 넓히면 단위 면적 당 부력이 상쇄할 수 있는 정도의 압력만 가해져 배가 뜰 수 있지요. 고무찰흙을 뭉쳐서 넣으면 가라앉는데 송편 빚을 때 속살 넣기 직전 상태의 모습으로 만들어서 띄우면 잘 뜨는 결과를 유도하는 부력 실험도 다들 초등학교에서 하더군요.

    3. 비행기는 진짜 신기하긴 합니다.
    비행선은 '공중의 타이타닉 호' 라고도 불렸던 힌덴부르크 비행선 화재 사건 때문에 비로소 자취를 감추게 되었지요. 감히 전자친화도가 가장 높아 반응성이 가장 좋은 수소를 넣을 생각을 하다니....
    그래서 요새 개인 비행선 타고 다니는 유럽 귀족?들은 가장 안정하다고 알려져 있는 18족 비활성기체 헬륨을 넣고 다니지요. 그리고 애드벌룬 역시 공중 폭발 사태를 일으키는 방법은, 먼저 수소가 필요하며, 애드벌룬에다 수소를 넣고, 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

    1. 사무엘 2011/11/28 13:50 # M/D Permalink

      철도에 대한 이해를 높이는 데 도움이 되는 주변 학문은 무엇이든 환영입니다. ㅎㅎ
      철도님, 사랑합니다.

  2. 삼각형 2011/11/28 21:31 # M/D Reply Permalink

    1. 원심력 하니까, 저는 요요가 생각 나는군요. 요요는 팽이를 옆으로 놓아 공중에서 회전하도록 만들었다고 할 수 있는데 역시 다른 물체들과 같이 최초의 던지는 힘이 동일할 때 클 수록 강한 회전이 생기고, 무거울 수록 강한 회전이 생기기는 하지만 크면 컨트롤이 힘들고, 무서우면 받을 때 손목에 심한 충격이 갑니다.

    적당히 조절한 게 한게 현대의 풀매탈 요요들입니다. 물론, 그 중 극단적 형태가 있긴 합니다만. 아, 그러고 보니 이쪽의 덕력을 자랑하면서도 요요의 원리 쪽은 글을 안 쓴 듯.

    2. 고압선 새, 유명한 이야기입니다. 한쪽에만 있어서 감전이 안된다고들 적어 놨는데 대부분의 경우는 피복이 잘 버텨주기 때문에 감전이 안된다고 봐야 할 겁니다. 물론, 알려진 이유로 피복이 벗겨져 있어도 통구이가 되지는 않겠죠. 다만 전선 중앙 말고 전신주 근처로 가면 변수가 많아서 감전될 지도 모릅니다. 다만, 새들이 전신주에 집을 짓겠답시고 나무라고 가져온 게 도체인 경우 누전이 되어서 고생한다고들 들었습니다.

    종이 그릇 이야기야 물이 대신 열을 받아주기 때문인거고

    3. 부력이야 중학교 과학 수준의 이야기로 충분히 이해 가능한 내용이고, 양력은 알기는 알겠는데 아무리 봐도 신기합니다. 그리고 A4지로 해보니 전 잘 구현이 안되네요. 비행선은 좀 무식하긴 하지만 소량의 질량을 가진 물체를 수송하는데 있어서 가장 저 비용의 방법이기는 합니다. 그래서 사람이 타는 것은 아니지만 소위 삐라라고 불리는 대북 전단도 그걸 활용하고 있다고 들었습니다.

    4. 로켓은 에너지 효율을 엄청나게 희생하고 얻어낸 속도이고 비행기는 좀 낫다지만 새들의 에너지 효율, 아니 그냥 생물의 물질 대사의 에너지 효율을 보면 하나님의 놀라운 창조를 증명하는 듯 합니다. 그래서 하나님을 보여달다는 사람들에게는 네가 살아 있는 것 자체가 하나님을 증명하고 있다고 말해주고 싶네요.

    1. 사무엘 2011/11/29 11:59 # M/D Permalink

      요요 매니아이신 건 삼각형 님 블로그에서 저도 봤습니다. ^^;;

      인간에게 동력 비행이라는 선물을 안긴 건 역시 내연 기관의 발명 덕분이지요.
      증기 기관을 월등히 능가하는 가격 대비 고효율 동력 기관이 발명되었기 때문에 이것이 유체 역학과 결합하여 비행기를 만들어 낸 것입니다.

      자전거가 효율이 가장 좋은 교통수단인 이유 역시 생물인 사람의 물질 대사 효율이 워낙 탁월하기 때문이지요.
      이런 세계관이 고스란히 발명되어 스타크래프트도 테란 건물은 수리가 필요하고 2/3 이상 HP를 잃으면 저절로 파괴되는 반면... 저그 건물은 HP가 1이어도 천천히 자연 회복됩니다. ^^;;;

    2. 소범준 2011/12/01 17:30 # M/D Permalink

      고압선에 앉은 새가 감전이 안 되는 이유는 다음과 같습니다.
      새의 몸을 하나의 저항이라고 보면 됩니다.(중고등 과정 물리 과목에서 접해보지 않았나요?)
      평상시의 새의 몸은 무한에 가까운 저항값을 갖게 되는데, 이 때 고압 전선 위에 새가 앉으면 새의 두 다리가 전선 역할을 하게 되어 그 회로는 병렬 연결이 됩니다. 그런데 앞에서도 이야기했 듯 새의 몸체가 아주 큰 저항값을 갖기 때문에 전류의 흐름이 분산되는 병렬 회로에서는 옴의 법칙(이걸 모르면 안될 텐데)에 의해 걸리는 전압은 두 가지 회로(새, 원래 전선)에서 서로 같지만 새의 몸에 흐르는 전류는 새의 몸이 갖는 거의 무한대의 저항에 의해 아주 극미한 양만 흐르게 됩니다. 따라서 전선(무피복) 위의 새는 감전되지 않습니다. 뭐, 비가 올 경우는 다시 이야기가 달라지기도 하지만 여기에선 논외로 하겠습니다.

      ※ 감전되지 않기 위한 재미있는 법칙!(근데 실제로는 아주 위험 하고도 흥미롭습니다.) : 비 오는 날 번개가 내 위로 칠 때 지팡이가 있으면 안전하다!

      그 이유는 <접지의 원리> 때문입니다. 어떤 콘센트에 보면 밖으로 금속 조각 같은 게 삐죽 나와있는 것을 볼 수 있는데, 이것은 전선 외부로 과전류가 흘러 누전되어 감전되게 하는 사고를 방지하기 위한 접지 장치로 보시면 됩니다. 잠깐 생활 속의 접지를 이야기했습니다.

      그러면 번개가 자신에게 칠 경우에는 위에 적은 대로 하면 됩니다.(이건 모 TV 프로그램에서 나왔습니다.)
      비 오는 날에는 우리 몸에 물기가 젖어 인체의 고유한 저항값이 낮아지면서 전류가 잘 흐를 수 있는 상태가 됩니다. (따라서 젖은 손으로 전기 제품을 손대면 안되는 이유도 설명이 됩니다.)
      그런데 이 때 지팡이(특히 금속 지팡이)를 짚고 가면 지면에 대해 병렬 회로가 만들어집니다. 상대적으로 금속류가 전류가 잘 흐르므로(저항이 작은 도체) 대부분의 전류는 지팡이로 분산되고 인체에는 아주 적은 양만 흐르므로 감전으로 인한 심장마비 및 조직 괴사 등의 위험을 막을 수 있습니다.

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