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어느 날, 섭섭박사님은 마술사라고 주장하는 유튜버의 영상을 봤어요. 손을 대지 않았는데 물건이 올라가거나 색종이가 저절로 펴졌지요. 섭섭박사님은 이 유튜버의 비밀을 파헤치기 위해 직접 실험해 보기로 했어요.

▲GIB

도전 실험
중력을 거스르는 고깔!

섭섭박사님은 먼저 중력을 거스르며 위로 올라가는 고깔을 만들기로 했어요. 우리는 지구에 사는데 어떻게 중력을 거스른다는 말일까요?

준비물
색종이, 마분지, 셀로판테이프, 칼, 자

➊ 색종이로 지름이 20cm인 원을 만든 뒤 반으로 자른다.

➋ 반원 두 개를 고깔 모양으로 만든다.

➌ 셀로판테이프로 둘을 이어 붙인다.

➍ 마분지를 오려 한 변이 비스듬한 사다리꼴 모양의 도형 두 개를 만든다.

➎ 두 사다리꼴의 짧은 변을 맞닿게 하고 반대쪽 변은 벌어지도록 사다리꼴 길을 세운다.

➏ 고깔을 두 변이 맞닿은 곳에 놓는다.

➐ 두 고깔이 올라가는지 살펴본다.

➔ 결과: 위로 올라가는 고깔 완성!

이 실험의 비밀은 합쳐진 고깔의 ‘무게중심’에 있어요. 무게중심은 어떤 물체에서 무게가 치우치지 않고 균형을 이루는 지점입니다. 무게중심에 실을 달아 물체를 매달면, 물체는 쉽게 기울어지지 않아요. 모든 물체는 무게중심이 아래에 있을수록 안정적입니다. 무게중심이 높으면 물체와 바닥 사이가 약간만 기울어져도 쉽게 넘어지기 때문이에요. 예를 들어, 유모차에 짐을 실을 때도 위쪽보다 아래쪽에 실어야 쉽게 넘어지지 않아요.

이번 실험은 두 고깔이 무게중심을 찾아 균형을 잡으려는 성질을 이용한 것입니다. 처음에 고깔이 사다리꼴 위에 올려졌을 때, 고깔의 무게중심은 고깔과 사다리꼴 종이가 맞닿은 점보다 위에 있습니다. 하지만 고깔이 기울어져 움직이기 시작하면, 고깔의 무게중심은 고깔과 사다리꼴이 맞닿은 점과 점점 가까워져요. 그러다가 두 점이 바닥과 평행한 일직선에 위치하게 됩니다. 고깔이 위로 올라가는 것처럼 보이지만, 고깔의 기울어진 변을 바닥으로 생각한다면 무게중심이 바닥으로 내려가는 과정이에요. 무게중심이 바닥 쪽으로 가까워지면서 바퀴가 사다리꼴 경사를 올라가는 듯한 착시를 일으키는 것이랍니다.

볼링에서 10개의 핀을 한 번에 쓰러뜨리는 스트라이크를 기록하는 건 매우 어려워요. 그런데 한 연구팀이 스트라이크 확률을 높이는 방법을 알아냈습니다.

▲GIB

볼링공이 10개의 핀을 모두 맞춘 스트라이크 상태.

볼링은 기름이 발라진 레인에 공을 굴려 끝에 놓인 10개의 핀을 쓰러뜨리는 스포츠예요. 레인의 폭은 1m로, 보드 39장이 붙여져 있지요. 레인을 타고 공이 굴러가 한 번에 10개의 핀이 모두 쓰러지면 스트라이크라고 해요. 스트라이크가 많을수록 높은 점수를 얻어요. 보통 핀의 가운데에 공이 맞아야 스트라이크 확률이 높아져요. 

4월 15일, 영국 러프버러대학교 스포츠과학 연구소 등 공동 연구팀은 볼링공이 던져지는 순간부터 핀을 칠 때까지의 움직임을 예측하는 수학 모델을 개발해, 국제 학술지 ‘AIP Advances’에 공개했어요. 이 수학 모델을 이용하면 스트라이크가 나오도록 공을 던지는 위치와 발사 각도를 조정할 수 있어요. 

연구팀은 볼링공의 무게중심을 공 가운데로 고정시키고, 레인에 기름이 어떻게 발라지느냐에 따라 볼링공의 움직임을 보여주는 수학 모델을 만들었어요. 이 모델은 기름을 길고 고르게 바른 경우와 그렇지 않은 경우를 나눠 볼링공의 회전수 등을 계산할 수 있는 식이에요. 

약 23m인 전체 레인의 앞부분부터 12m까지 고르게 기름을 바르면 바닥과 공 사이의 마찰이 일정해 공이 천천히 휘어져 핀까지 가요. 그래서 레인의 가장 중앙에 있는 20번째 보드에서 3° 각도로 공을 던졌을 때, 약 75%의 확률로 스트라이크가 발생했어요.

전체 레인 중 10m 구간까지만 앞부분은 기름을 많이, 뒷부분은 기름을 적게 바른 경우, 공이 초반에는 일정하게 미끄러지다가 핀과 가까워질 때 마찰이 커져 급하게 휘어져요. 이 모델로 계산한 결과, 왼쪽에서 28번째 보드에서 1.8° 각도로 볼링공을 던졌을 때 89%의 확률로 스트라이크가 발생했습니다. 연구를 이끈 러프버러대 스포츠과학 연구소의 커티스 후퍼 박사는 “앞으로 볼링공의 소재, 레인의 온도 등 다양한 조건을 추가해 스트라이크를 만드는 방법을 더 정교하게 찾아낼 것”이라고 밝혔답니다.

실험 하나 더!
저절로 펴지는 꽃잎 만들기!

준비물
색종이, 가위, 납작한 일회용 접시, 유성 사인펜, 물

➊ 색종이의 가운데에 원을 그리고, 원 안에 유성 사인펜으로 원하는 글씨를 쓴다.

➋ 원 밖에 꽃잎을 삼각형 모양으로 자르고, 원이 다 가려지도록 꽃잎 부분을 구부려 꽃봉오리를 만든다.

➌ 물에 담긴 접시에 완성된 종이꽃을 띄운다.

➍ 1분 정도 기다리면, 꽃잎이 스르륵 펴진다.
➔ 결과: 저절로 피는 꽃잎 완성!

색종이 꽃잎이 저절로 펴지는 이유는 ‘모세관 현상’ 때문이에요. 모세관 현상은 액체가 아주 가느다란 관을 따라 위로 올라가거나 아래로 내려가는 현상이에요. 질량이 있는 물체와 지구가 서로 끌어당기는 힘인 중력과 관계없이 발생하지요. 그래서 물이 위쪽으로도 이동할 수 있어요. 물이 가느다란 관 안으로 점점 차오르면서, 관을 따라 이동하기 때문이에요. 식물의 뿌리가 흙 속의 물과 영양분을 줄기와 잎끝까지 운반할 수 있는 것도 가느다란 관인 물관의 모세관 현상 덕분입니다.

색종이도 가늘고 긴 실처럼 생긴 섬유들이 엉켜 있는 구조로 이뤄져 있어요. 섬유들 사이에는 아주 가느다란 틈인 관이 있지요. 그래서 색종이로 만든 꽃잎을 물이 담긴 접시에 올려두면, 물이 색종이 속 관을 따라 퍼지면서 점점 꽃잎이 펼쳐지는 것이랍니다.