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차력의 비밀 - 못으로 만든 침대
 Science Column
신나는 과학 칼럼
작성자 류성철
작성일 2007/01/17 (수)
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 6576      
차력의 비밀 - 못으로 만든 침대
류성철

고통을 참고 마술을 행하는 능력을 보여주기 위해 어떤 신비로운 동양의 수련자들은 못으로 만든 침대에 눕는 것으로 알려져 있다. 또한 당신은 TV등에서 괴력을 보여주는 차력사들이 행하는 이 묘기를 본 적이 있을지도 모른다. 아마 그들 모두 스스로 고통받기를 바라지 않았을 것이고 이런 행동이 사람들에게 흥미를 줄 것이라 생각했을 것이다.
그러나 사실 못으로 만든 침대 위에 눕는 것은 푹신한 침대에 눕는 것보다 별로 고통스럽지 않다. 왜냐하면 못 하나당 받쳐야 하는 당신의 몸무게가 그다지 크지 않기 때문이다. 만일 당신이 못 사이에 적당한 간격을 알기를 원한다면 당신은 우선 고통을 주지 않고 당신의 피부를 받칠 수 있는 못의 강도를 알 필요가 있다. 이 측정을 위한 하나의 쉬운 방법은 목욕탕의 저울에 못을 올려놓고 못 끝에 손을 댄 채 약간 아픔을 느낄 때까지 못을 누르는 것이다. 못의 날카로운 정도와 당신이 고통을 느끼는 감각에 따라 저울의 눈금이 달라질 것이다. 당신이 아픔을 느낄 때 저울이 1kg중을 나타냈다고 하자. 만일 당신의 몸무게가 60kg중이라면 못이 당신의 무게를 지탱하려면 60개 이상 필요하다는 것을 의미한다. 단 당신이 완전히 평평해야만 가능하다. 아마도 당신은 편평하지 않을 것이기 때문에 더 많은 수의 못이 필요할 것이다. 왜냐하면 어떤 못은 다른 것들보다 더 많은 무게를 지탱해야 하기 때문이다. 그러면 당신의 무게를 지탱하기 위한 60개의 못의 간격이 얼마이면 안심이 될까? 이 질문에 대해 우리는 실제로 당신의 표면적이나 적어도 당신의 신체 일부의 표면적이라도 알 필요가 있다. 당신은 아마 관련된 것이 당신의 등이나 옆쪽 면적이라 생각할 것이다. 그러나 대부분의 사람들은 그들이 침대에 눕기 전에 앉는다. 이 앉았을 동안 못과 접촉하는 면적은 누웠을 때보다 상당히 작다. 다시 말하면 누워 있는 동안 고통없이 당신의 체중을 지지하는 못의 최대 간격을 구했다면 누우려고 침대에 앉았을 때는 아마도 상당히 고통스러울 것이다. 그 체중을 지지하기에는 못의 수가 너무 작기 때문이다. 당신의 엉덩이의 면적이 10cm×10cm 즉 100cm2이라 하면 이 면적에 100개의 못을 설치하기 위해서 적당한 못 사이의 간격은 분명히 1cm이다. 당신의 엉덩이가 평평하지 않더라도 100개의 못은 충분할 것이다. 왜냐하면 당신 무게의 일부는 당신이 앉아 있는 동안 발에 있기 때문이다. 그래서 확신하건데 적당한 못 사이의 간격은 단지 1cm이면 된다.
만일 당신이 못으로 만든 침대에 눕거나 앉기를 원한다면 당신 스스로 특히 못을 누를 때 손가락이 고통을 느끼지 않는 정도의 힘의 크기와 엉덩이의 면적과 같은 이런 조건들을 계산해서 확인하기 바란다. 1cm의 간격을 갖는 눕기에 충분한 못 침대를 만들려면 많은 수의 못이 필요할 것인데 180cm×50cm = 9000cm2로 보면 900개의 못이 필요할 것이다. 이것은 큰 문제로 보인다. 그래서 대신에 당신은 앉기에 충분한 면적을 만드는 것이 낫다. 하지만 당신은 못 위에 서기를 특별히 원하지는 않을 것이다. 왜냐하면 당신의 발 면적은 당신의 엉덩이 면적보다 작다고 생각되기 때문이다.
압력에 관한 또 다른 얘기를 해보자.
파리나 바퀴와 같은 벌레들은 천정을 별 어려움없이 걷는다. 하지만 인간들은 이런 묘기가 불가능한 것 같다. 아마도 인간이 매우 끈적거리는 손과 발을 가졌거나 아예 마음대로 할 수 있는 빨판을 가졌다면 천정을 걷는 것이 일반 대중에게 최신 유행이 될 것이다. 고무로 된 컵의 입구를 벽에 붙이고 조심스럽게 컵 안의 공기를 빼내었다고 하자. 이때 컵 바깥쪽 기압이 커서 컵을 벽면쪽으로 밀 것이다. 이것이 빨판의 기본 원리이다. 해수면에서의 기압은 약 1cm2당 1kg중이고 이것은 표면이 노출된 모든 면에 공기가 cm2당 1kg중의 힘을 가한다는 것을 의미한다. 이런 기압이 생기는 이유는 단지 공기의 무게때문이다. 다시 말해 지구표면 1cm2 위에 있는 공기의 수직기둥의 무게가 1kg중이다.
만일 당신이 산에 오르면 당신 위에는 공기가 덜 있게 되고 그런 까닭에 기압이 낮게 된다. 그러면 빨판은 잘 지탱할 수가 없게 된다. 이런 이유로 빨판은 우주에서 전혀 쓸 수가 없다.
당신 몸을 천정에 지탱하기 위해 필요한 빨판의 크기는 얼마나 커야 할까? 1cm2당 1kg중의 기압에 10kg중의 무게를 가진 사람을 지탱하려면 10cm2의 빨판이 필요하다. 실제로는 더 큰 컵이 필요한데 빨판이 완전히 밀폐될 수가 없기 때문이다. 빨판을 지탱하는 1cm2당 1kg중의 힘은 당신 몸의 모든 방향에서 똑같이 작용한다. 우리의 몸은 약 20000cm2의 면적을 가지고 있다.(높이가 2m이고 허리 둘레가 1m인 원통을 생각해보자.) 그래서 우리가 각 cm2당 1kg중으로 20000cm2에 곱한다면 약 20000kg중의 전체 힘이 모든 방향에서 당신 몸에 작용하고 있다는 것을 알 수 있다. 그런데도 당신이 바로 찌그러지지 않는 이유는 빨판처럼 한쪽 면에서만 기압이 센 것이 아니라 당신의 몸 안쪽과 바깥쪽의 공기에 의한 기압이 같기 때문이다.
1654년 독일에 있는 마그데부르그에서 기압의 엄청난 힘을 보여주는 실험이 있었다. 이 실험에서 사용된 서로 속이 빈 채 붙어있는 한 쌍의 철제 반구는 공기를 뺀 후 단지 외부의 기압에 의해서 서로 붙어있게 되어 있다. 이 두 개의 반구 양쪽에 8마리씩 말을 연결하여 당겨도 그것을 떼어놓지 못했는데 이것은 원리를 알고 나면 그다지 놀라운 일이 아니다. 마그데부르그 반구가 7500cm2이라는 단면적을 가지고 있기 때문에 말들이 기압을 이기려면 1kg중×7500=7500kg중의 힘을 내야만 반구가 떨어지는 것이다. 말 한 마리가 크는 힘이 750kg중이라면 말 10마리 이상이 끌어당겨야 반구가 떨어지는 것이다. 근대에 들어 기압이 나타내는 위대한 힘은 건축물의 설계에서 보여졌다. 미국 미네야폴리스 메트로돔의 290톤의 천정은 돔 내부의 큰 송풍기에 의해 만들어지는 0.06kg중의 초과 압력에 의해 지탱되었다. 그럴 듯 하지만 전원 공급이 끊기는 날에는 사람들이 그들의 팀을 응원하는 대신 폐의 힘을 사용하여 인간 송풍기를 만들어야 할 것이다. 불가능하지만
빈 알루미늄 캔을 사용하면 기압의 파괴력을 쉽게 보일 수 있다. 캔에 약간의 물을 넣고 난로 위에 올린 다음 증기가 구멍에서 나올 때까지 끊인다. 이것은 수증기가 캔 밖으로 공기를 많이 밀어내게 하기 위해서이다. 그 후 수건으로 캔을 잡고 빨리 그것을 뒤집어 찬물에 그 전체를 담근다. 캔이 찌그러질 것이다. 왜냐하면 캔 안에 가득 차 있던 수증기가 갑자기 냉각되면서 부피가 줄고 부분적으로 진공상태가 되는 것이다. 물이 수증기로 변할 때 부피가 약 1700배정도로 늘어난다. 수증기가 캔 속의 공기를 모두 밀어냈다면 찬물에 의해 수증기가 냉각되어 물로 변한다면 부피가 1/1700로 줄 것이다. 수증기가 차지하고 있던 대부분의 공간이 진공 상태가 되는 것이다. 순간적으로 일어나는 일이기 때문에 찬물은 캔으로 빨려 들어가지 못하고 그래서 캔이 찌그러진다. 바깥 압력이 안쪽보다 작은 경우 물체는 찌그러지는 것이 아니라 폭발하게 된다. 당신은 공상과학 영화등에서 구멍난 우주복을 입은 우주인이 우주로 던져졌을 때 그런 처참한 광경을 보았을 것이다. 하늘높이 날아올라가는 풍선의 운명도 마찬가지이다.
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2011-01-28 01:06
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