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마찰 없이 미끄러지는 미니 자기부상열차

우리나라에는 아직 정식 자기부상열차가 없어요. 나무늘보 기자는 작고 소중한 미니 자기부상열차를 직접 만들어 보기로 했어요.

 

준비물
소형 종이 상자, 칼 또는 가위, 자석 테이프, 일반 테이프

 

칼이나 가위를 쓸 때, 손을 다치지 않도록 조심하세요.

 

➊ 상자의 긴 면에 자석 테이프를 두 줄로 잘라 붙인다.

 

➋ 상자의 짧은 면을 잘라 열차 수레를 만들고, 긴 면과 같이 자석 테이프를 두 줄로 잘라 붙인다.

 

➌ 자석끼리 밀어내는 힘이 느껴지는지 확인한다.

 

➍ 옆 부분을 세워서 테이프로 고정한 뒤, 수레를 올린다.

 

➎ 수레가 잘 움직이는지 관찰한다.

 

 수레가 미끄러지듯 빠르게 움직인다. 
자기부상열차는 자석의 힘으로 공중에 떠서 달리는 열차입니다. 자석에는 북쪽을 가리키는 N극과 남쪽을 가리키는 S극이 있어요. 같은 극끼리는 서로 밀어내는 힘인 척력, 다른 극끼리는 서로 끌어당기는 힘인 인력이 작용하죠.
자기부상열차는 척력의 원리를 이용해 움직입니다. 열차 바닥과 선로에 전기가 통하는 강력한 자석을 같은 극끼리 마주 보도록 설치하면, 열차와 선로가 살짝 떨어진 상태로 빠르게 이동해요. 공중에 떠 있기 때문에 바퀴가 선로 위를 구를 때 생기는 마찰●, 진동도 거의 없죠. 마찰과 진동처럼 열차의 움직임을 방해하는 요인이 없으니, 일반 열차보다 훨씬 빠르게 달릴 수 있어요. 2026년 기준 세계에서 가장 빠른 열차는 중국 상하이 공항의 자기부상열차로, 1시간에 430km를 이동할 수 있답니다.
 

한걸음 더!

자석의 힘, 원하는 모양으로 조절한다?!

 

자석의 힘이 영향을 미치는 공간을 자기장이라고 해요. 이 자기장을 원하는 모양으로 조절하는 기술이 개발됐어요. 이러한 기술이 필요한 이유는 뭘까요?

 

University of Leicester

기존의 자기장 클로킹 기술(왼쪽)과 맞춤형 자기장 클로킹 기술(오른쪽)의 자기장 진행 차이. 빨간 부분이 자기장이다.

 

자기장은 자석 주변의 모든 공간에 존재해요. 자석과 가까울수록 힘이 더 강하게 작용하고, 멀어질수록 약해지죠. 강한 자기장은 전류의 방향을 바꾸거나 철로 된 물건을 자석 쪽으로 빠르게 끌어당기는 등 주변에 큰 영향을 끼쳐요. 따라서 의료, 항공우주 등 정밀한 전자 기기를 이용하는 곳에서는 자기장을 잘 제어해야 합니다.

지난해 12월, 영국 레스터대학교 연구팀이 새로운 자기장 클로킹 기술을 발표했어요. 자기장 클로킹은 자기장이 특정한 물체를 감지하지 못하도록 자기장의 방향 등을 조절해서 물체에 미치는 영향을 줄이는 기술이에요. 자기장은 직선으로 쭉 뻗는 성질이 있어서, 어떤 물체에 부딪히면 방향이나 간격이 바뀌어 ‘이곳에 물체가 있다’는 걸 인식할 수 있어요. 자기장 클로킹을 활용하면 물체에 닿은 자기장이 잠시 휘어지더라도 원래의 방향과 간격을 유지할 수 있어요. 방향 변화가 없으니 중간에 물체가 있는지 아닌지 알아차리기 어렵죠.
기존의 자기장 클로킹 기술은 구, 원기둥 등 단순한 형태로만 적용할 수 있었어요. 따라서 연구팀은 복잡한 형태로도 가능하도록 수학을 활용했어요. 컴퓨터 프로그램으로 물체 주변의 길이, 높이, 깊이를 실시간으로 계산하고, 가상으로 자기장의 흐름을 확인했어요. 그 결과, 프로그램은 자기장이 마치 돌을 감싸 흐르는 물처럼 물체 주변을 꼭 맞게 돌아가도록 조절했어요. 이렇게 하면 자기장이 센서의 작동이나 신호를 방해하는 일을 크게 줄일 수 있죠. 지금은 자기장이 고정적으로 발생하는 환경에서만 맞춤형 자기장 클로킹을 할 수 있어요. 연구팀은 “자기장이 실시간으로 변화하는 환경에서도 적용할 수 있도록 추가 연구할 계획”이라고 전했습니다.

 

실험 하나 더!

자석에 뽀뽀하는 슬라임?!

 

나무늘보 기자는 쓰고 남은 자석을 집으로 가져왔어요. 그런데 다음날 보니, 멀찍이 떨어져 있던 슬라임이 자석에 다가와 찰싹 달라붙어 있었어요. 어떻게 된 일일까요?

 

준비물
철가루, 투명 슬라임, 종이, 니트릴 장갑, 비닐 랩, 자석

 

자석의 자력이 강할수록 더 잘 반응해요.

 

➊ 투명 슬라임과 철가루를 5:1 비율로 섞는다.

 

➋ 가루가 떨어지지 않도록 잘 섞어서 뭉친다.

 

➌ 랩으로 감싼 자석을 슬라임 근처에 둔다.

 

➍ 슬라임이 어떻게 반응하는지 관찰한다.

 

 결과: 슬라임이 자석을 향해 움직이고 달라붙는다.
철은 자석에 매우 강하게 이끌리는 성질을 가지고 있어요. 철이 외부 자기장의 영향을 받으면, 철 내부의 미세한 입자들이 자기장의 방향을 따라 정렬하며 순간적으로 철 자체가 자석처럼 변하죠. 따라서 자석과 철 사이에 자석의 인력처럼 강하게 이끄는 힘이 작용하게 돼요.

자기장은 공기, 물, 플라스틱 등 대부분의 물질을 통과합니다. 슬라임도 마찬가지예요. 슬라임을 이루는 주된 재료는 폴리비닐 알코올이라는 합성 고분자● 물질로, 자기장에 거의 반응하지 않아요. 그런데 여기에 철가루를 섞으면 철가루는 자기장 방향으로 정렬되고, 자기장이 강한 방향으로 이동하려고 하죠. 슬라임의 끈적한 성질이 철가루의 이동을 방해해서 속도는 느리지만, 지켜보고 있으면 자석에 꼭 달라붙게 된답니다.   
 

 

용어 설명

●마찰: 두 물체가 접촉할 때 물체가 미끄러지지 않게 방해하는 현상.

●고분자: 여러 개의 분자가 사슬처럼 길게 연결된 것.