오랜만에 섭섭박사님의 연구실에 들렀는데, 섭섭박사님이 멍하니 의자에 앉아 허공을 응시하고 있었어요. 무슨 고민이라도 있는 걸까 싶어 기자가 뭐하시는 건지 여쭸지요. 그러자….
“아아, 공기를 보고 있지….”
“네? 공기요? 큭큭큭. 박사님, 그게 무슨 엉뚱한 말씀이세요?”
“자네 지금 공기를 무시하는 건가?! 내가 공기의 힘을 보여주지!”
● 왜 이런 일이?
→ 결과 : 호버 크래프트가 바닥에서 약간 뜬 상태로 앞으로 나아간다.
풍선에 공기가 없으면 호버 크래프트를 손으로 건드려도 잘 움직이지 않을 거예요. 땅바닥과 CD 사이에 호버 크래프트의 움직임을 방해하는 마찰력이 작용하기 때문이죠. 하지만 풍선에 공기를 채우면 풍선에서 뿜어져 나오는 공기가 CD를 지면 위로 살짝 띄워줘요. 땅바닥과 CD 사이가 약간 벌어져 있는 상태이기 때문에 이 둘 사이엔 마찰력이 작용하지 않죠. 덕분에 호버 크래프트는 마치 얼음판에서 움직이듯 미끄러지며 부드럽게 나아간답니다.
과정 ①번에서 사인펜 몸통에 구멍을 뚫은 건 호버 크래프트에 추진력을 더하기 위함이에요. 추진력은 ‘작용-반작용의 법칙’으로 설명할 수 있답니다. 작용-반작용 법칙은 ‘A가 B에게 힘을 가하면, 동시에 B 또한 A에게 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 가한다’는 내용이에요. 사인펜에 뚫린 구멍을 통해 공기가 분출되면(작용), 그 공기가 호버 크래프트를 밀어내기 때문에(반작용) 호버 크래프트가 앞으로 나아가는 거죠.
비행기와 비행선의 차이는 무엇일까요? 이 둘을 구분하는 기준은 ‘공기보다 무거운가?’예요. 비행기는 공기보다 무겁고, 비행선은 공기보다 가볍지요. 비행기는 공기보다 무겁기 때문에 하늘에 떠 있기 위해선 양력을 만들어 줄 날개가 필요하지만, 비행선은 공기보다 가볍기 때문에 가만히 놔둬도 알아서 하늘에 떠 있어요.
비행선이 공기보다 가벼울 수 있는 건 비행선 안에 수소나 헬륨처럼 공기보다 가벼운 기체를 채우기 때문이에요. 말하자면 헬륨 풍선을 타고 날아다니는 셈이죠. 그런데 이를 위해선 한 가지 해결해야 하는 문제가 있어요. 헬륨은 비행선을 위로 띄울 순 있어도, 앞으로 가도록 만들 순 없다는 점이에요. 이 때문에 추진력을 내기 위해 엔진과 프로펠러, 그리고 엔진을 작동시킬 연료가 필요하죠.
그런데 작년 5월, 영국 하이랜드앤아일랜드대학교 앤드류 래 교수팀이 엔진마저 떼어버린 비행선, ‘피닉스’를 개발해 성공적으로 시험 비행을 마쳤어요. 피닉스의 몸체에는 헬륨 주머니와 함께 공기 주머니가 함께 있어요. 공기 주머니는 일종의 무게추 역할을 한답니다. 공기 주머니에 공기를 채워 넣으면 이 무게 때문에 몸체가 아래로 가라앉고, 공기를 빼면 다시 위로 떠오르지요. 피닉스의 몸체가 위 아래로 움직이면 몸체에 달린 날개가 수직 방향으로 흐르는 공기를 수평 방향으로 바꾸면서 몸체를 앞으로 조금씩 밀어내요.
또한 피닉스의 날개에는 태양 전지가 붙어 있어요. 여기서 나오는 전기로 공기 펌프를 작동시켜 몸체에 공기를 불어넣지요. 즉, 연료가 없어도 스스로 동력을 만들어 하늘에서 움직일 수 있는 거예요. 앤드류 래 교수는 “피닉스는 통신 위성을 저렴하게 대체하거나, 이동식 와이파이 서비스를 지원할 수도 있다”고 말했답니다.
● 왜 이런 일이?
→ 결과 : 휴지 뭉치가 빨대에서 빠르게 발사된다.
잉글랜드의 화학자이자 물리학자인 로버트 보일은 1662년, 기체의 부피와 압력의 관계에 대한 법칙을 담은 논문을 발표했어요. 이 논문은 ‘기체의 양과 온도가 일정할 때, 기체에 가해지는 압력과 기체의 부피는 서로 반비례한다’는 내용을 담고 있죠. 이를 ‘보일의 법칙’이라고 해요.
보일의 법칙을 더 간단하게 표현하면 ‘어떤 공간에 갇힌 기체는 세게 누를수록 더 많이 압축된다’예요. 스프링을 많이 압축시킬수록 더 높이 튀어 오르듯, 기체 역시 많이 압축될수록 주변을 더 세게 밀어내지요. 공기 딱총 실험에서 휴지 뭉치로 빨대 양쪽을 막는 건 빨대 안에 공기를 가두기 위해서예요. 나무젓가락으로 한쪽 휴지 뭉치를 빠르게 밀면 공기가 압축이 되고, 압축된 공기는 반대쪽 휴지 뭉치를 강하게 밀어내지요. 그 결과 휴지 뭉치가 발사되는 거랍니다.
