액체나 기체가 힘을 가지는 것은 그 속의 분자가 끊임없이 움직이기 때문이다. 수세식변기에서부터 로켓에 이르기까지 분자의 힘을 이용한 도구를 살펴보자.
오늘날 우리는 물이나 공기 등이 원소라고 하는 작은 단위로 구성돼 있다는 것을 잘 알고 있다. 현대과학이 밝혀낸 이들 원소는 1백3종에 이른다. 이들 원자들이 결합한 입자를 분자라고 하는데 인간이 사용하고 있는 도구 기계들 중 다수가 이 분자의 특성을 이용하고 있다.
분자의 결합력이나 확산하려는 힘은 어떤 물질에서나 아주 강하기 때문에 로켓에서부터 수세식 변기에 이르기까지 각종 기계에 이용되고 있다. 액체나 기체가 힘을 갖게 되는 것은 그 속의 분자가 끊임없이 운동하고 있기 때문이다. 분자 하나의 힘은 작지만 그것이 모여있을 때는 상당히 큰 힘을 발휘하게 된다. 배가 물에 뜨는 것은 움직이면서 회전하는 물분자가 엄청나게 많이 모여서 선체를 떠받치기 때문이다. 점보제트기가 떠있는 것은 무수한 공기 분자가 날개 밑을 무리를 지어 떠받치고 있기 때문이다.
용기에 들어간 액체가 용기의 밑면을 누르는 힘은 속에 있는 액체의 무게와 같고 이것은 고체가 들어있는 경우도 마찬가지다. 기체의 경우도 분자가 용기 속을 움직이며 계속 벽에 부딪침으로써 벽에 힘을 가한다. 이것이 압력의 정체다. 공기드릴은 이런 압력을 이용한 기계다.
자동차 항공기 우주선 등은 압력을 이용해 움직이는데, 이 큰 압력은 여러가지 물리적인 힘을 사용해 다른 방법으로 만들어진다. 이것은 열을 이용하는 방법이다. 열과 접촉하면 분자의 운동 속도는 빨라지고 큰 압력이 생긴다. 열이 감소하게 되면 이와 반대로 압력이 낮아진다.
원자는 최소의 입자가 아니고 그보다 더 작은 입자로 되어 있다. 이들은 강력한 힘으로 결합하고 있는데 이 결합력을 이용한 것이 원자력 에너지이다.
최초의 수송기관은 뗏목
자체의 힘으로 전진해가는 최초의 수송기관은 뗏목이었다. 역사에 기록되지 않은 아주 오랜 옛날에도 사람들은 뗏목을 타고 세계의 바다를 유람할 수 있다고 생각했다. 가운데가 움푹하게 들어간 배로 가장 오래된 것은 B.C.8000년경에 만들어졌다. 이것은 통나무에 구멍을 뚫어놓은 카누로 노를 사용해 움직였다.
물체가 물 위에 뜨는 이유를 설명한 부력의 원리는 B.C.200년대에 그리스의 식민지 시칠리아섬 태생의 위대한 과학자 아르키메데스에 의해 밝혀졌다. 그는 목욕통에서 이 원리를 발견하고는 기뻐서 벌거벗은채 '유레카'라고 외치며 뛰어나갔다는 일화를 남기고 있다. '알았다'라는 이 함성은 모든 발명자들의 공통적인 환호성이 되었다.
아르키메데스의 원리는 철로 된 배도 뜰 수 있다는 것을 잘 설명해주고 있다. 하지만 2백년전까지는 보트나 배는 모두 나무로 만들어져 있었다. 철선이 발달되기 시작한 것은 강력한 증기 엔진이 만들어지면서부터였다. 당시는 외륜을 달고 그것을 엔진으로 돌리는 방법을 사용했다.
인간이 탄 최초의 기구는 1783년에 프랑스의 몽골피에르 형제가 발명한 열기구였다. 최초 비행은 그해 11월에 파리에서 이루어졌는데, 8㎞ 비행이었다. 그로부터 며칠 후 최초의 가스기구가 발명자 자크 살의 조종으로 파리 시민의 머리 위를 비행했다. 그 기구에는 수소가스가 채워져 있었는데 수소가스는 1852년에 최초의 비행선 비행에 이용됐다. 이 비행선은 프랑스의 기술자 앙리 자파르에 의해서 발명된 것으로 증기의 힘으로 움직이는 것이다.
최초로 하늘을 날았던 사람은 큰 연에 묶여 하늘에 띄워졌던 중국의 한 죄수였다. 탐험가 마르코 폴로는 1200년대에 이와 같은 연이 형벌에 사용됐다는 보고를 하고 있다. 연 비행은 적의 영토를 정찰하는데도 이용됐다. 기구가 인간을 태워서 비행하게 된 것은 그로부터 5백년 후의 일이다.
날개 달린 비행기는 모두 날개에 의한 양력을 이용한다. 수직이착륙비행기는 제트엔진을 밑으로 향하게 해 힘껏 지면을 눌러 이륙한다. 비행원리에는 두가지 원리가 작용하는데 배의 경우와 마찬가지로 작용, 반작용의 원리와 흡인력이다. 여기서 흡인력은 양력이라 불린다. 날개가 공기를 가르며 움직이면 공기는 날개의 아래위를 지나게 된다. 위를 통과하는 공기가 속도가 더 빨라지므로 이런 속도차로 압력차를 만든다. 이로 말미암아 날개는 윗방향으로 밀어올려지는데 이 힘이 양력이다.
수중익선은 일반배와 동일한 선체를 갖고 있어 멈추어 있거나 속도가 느릴 때는 일반배나 다름없이 물에 떠 있지만 고속으로 달릴 때에는 큰 차이를 보인다. 속도가 빠를 때는 선체 밑에 달린 날개가 수중에서 상승해 선체를 수면 위로 떠오르게 한다. 이렇게 하여 훨씬 빠른 속도로 진행할 수 있다.
압축공기를 이용한 제품들
압력을 이용한 대표적인 도구로는 펌프를 들 수 있다. 펌프는 액체나 기체의 압력을 증가시킨다든지 압력을 감소하는 역할을 한다. 그로부터 발생한 압력차는 힘으로 작용해 액체나 기체를 흐르게 한다. 펌프는 유체의 분자와 분자를 접촉시켜서 압력을 높이는 것인데 이것은 유체를 압축시킴으로써 가능하다. 이외에 압축공기를 이용한 공기 드릴, 액체 내부의 압력을 이용한 유압장치가 모두 이런 펌프의 일반원리를 이용한 것이다. 거꾸로 내부 압력을 저하시켜 이 압력차를 이용하는 것으로는 진공청소기가 있다. 이밖에 스프레이 소화기 변기 우주유영조종유니트 등 다양하다.
고대 기술자 중의 한사람인 이집트의 알렉산드리아 태생 크테시피우스는 물의 압력을 이용해 파이프 속에 공기를 넣어 소리를 내게 하는 오르간을 만들기도 하였다.
열은 에너지의 한 형태로 그 근간을 이루고 있는 것은 분자의 운동이다. 분자는 어떤 물질에서도 운동을 하는데 이 움직임이 빠르면 빠를수록 열을 많이 발생하게 된다. 또한 열을 흡수하게 되면 분자의 운동은 빨라진다. 열은 방사 전도 대류의 세 방법으로 전달되는데, 인간은 이 열을 축적하고 이 에너지를 이용하는 방법을 여러가지로 개발해왔다. 연소에 의해서 열을 얻는 용광로, 전기를 동력으로 하는 전열기구, 냉각장치, 각종 엔진 등이 모두 열의 성질을 이용한 기계들이다.
열의 이용은 인간이 달성한 최초의 진보이다. 불은 약 1백만년 전에 아프리카에서 발견되고 그 열에 의해서 음식물을 요리하고 찬 음식물을 데울 수 있었다. 가장 열 이용이 진보된 금속을 용해시킬 동력을 공급할 정도의 고도의 방법이 탄생하기까지는 그로부터 수십만년이 걸렸다.
원자력의 원리는 독일의 위대한 과학자 알버트 아인슈타인에 의해서 1905년에 발견됐다. 그는 특수상대성이론을 세우고 그것에 따라서 이론적으로 작은 질량으로도 많은 에너지를 낼 수 있다는 것을 설명했다.
아인슈타인의 이론이 현실화된 것이 핵분열로 이것은 이탈리아의 과학자 엔리코 페르미의 연구실에서 1934년에 최초로 달성됐다. 이때 페르미는 핵분열이 일어났다는 것을 알지 못했으며 핵분열이 실제로 가능하다는 것, 그것이 많은 양의 에너지를 만들어낸다는 것은 다른 핵과학자들에 의해서 입증됐다. 1939년의 일이다.
2차대전을 거치면서 이 정보는 비밀이 되고 페르미를 위시한 과학자들이 미국으로 망명했다. 독일이 먼저 원폭을 제조할지 모른다는 공포에 쫓겨 미국에서는 전력을 다해 원자로를 만드는 작업에 매진했다. 1942년에 페르미에 의해서 최초의 실험용 원자로가 건설됐다.
최초의 원자폭탄은 2차대전이 끝나지 않은 1945년 7월에 미국에서 실험되고 최초의 두 핵병기는 일본에 떨어졌다. 수소폭탄의 최초 실험은 1952년에 미국에서 이루어졌다. 발전을 위한 최초의 원자로는 1954년 소련에서 만들어졌다.
