마술사가 풍선을 터뜨리지 않고 철사를 관통시킬 수 있는 이유는 무엇일까. 우리 주변에서 쉽게 만날 수 있는 풍선을 가지고 여러가지 과학적 사실들을 확인해보자
1. 바베큐 풍선
① 두 개의 풍선을 겹으로 분다.
② 안쪽 풍선은 그냥 두고, 겉 풍선에 스카치테이프를 붙인다.
③ 가늘고 곧은 철사로 풍선을 뚫어본다.
바깥쪽의 풍선은 터지지 않고 안쪽에 있는 풍선만 터지면서 마치 바베큐가 된 것처럼 보인다. 마술사가 바늘을 가지고 풍선을 찔러도 터지지 않는 것과 같다. 바로 풍선이 투명테이프에 의해 보호받기 때문이다.
2. 고무풍선이 날아가는 이유
① 염산이 담긴 플라스크에 마그네슘리본을 넣고 플라스크 입구에 풍선을 씌운다.
② 풍선이 적당히 커지면서 풍선을 플라스크에서 떼어 내고 묶어 준다.
③풍선에서 손을 놓으면 어떻게 될까.
풍선을 부풀린 것은 수소다. 염산같은 산성 용액에 금속을 넣으면 이온화 경향이 큰 금속은 이온이 되면서 녹아 들어가고. 동시에 수소가 발생한다.
2HCl ＋ Mg → MgCl₂ ＋ H₂(↑)
수소는 공기보다 밀도가 작다. 물보다 밀도가 작은 기름이 물위에 뜨는 것처럼 수소를 채운 풍선도 공기 위로 떠오르게 된다.
그렇다면 광고에 사용하는 애드벌룬 같은 부피가 큰 풍선은 어떻게 하늘로 띄울까. 공기보다 밀도가 작은 기체를 찾으면 된다. 수소는 공기 중에서 쉽게 불이 붙어 폭발하는 성질이 있기 때문에 사용하기 어렵다.
대신 공기보다 밀도가 작으면서 다른 원소와 반응하지 않는 안정한 헬륨 기체를 이용해 애드벌룬을 띄운다.
다른 방법으로는 공기를 가열하면 된다. 더워진 공기는 밀도가 작아지고, 이런 원리를 이용해 기구를 띄울 수가 있다.
3. 색깔 있는 플라스크 만들기
① 삼발이 위에 물이 조금 들어 있는 플라스크를 놓고 알코올램프로 가열해 물을 끓인다.
② 물이 끓기 시작한 후 플라스크 입구를 풍선으로 씌운다.
③ 풍선이 많이 부풀어 오르면 알코올램프를 끄고 기다린다.
④ 풍선이 플라스크 속으로 쏙 들어간다.
액체 상태의 물이 열에너지를 얻어 기체 상태의 수증기가 되면 물분자의 운동이 활발해지면서 분자 간 거리가 멀어지고 부피가 커진다. 물이 끓어서 수증기가 되면 부피가 약 1천7백배 정도 된다. 즉 물 한방울이 수증기가 되면 부피가 2L로 늘어난다.
플라스크를 막고 있던 풍선이 부푸는 것은 바로 수증기 때문이다. 그런데 불을 끄고 플라스크 내부에 있는 수증기의 온도가 낮아지면 멀어졌던 분자 사이의 거리가 좁혀지면서 부피가 줄어든다. 자연히 플라스크 안의 압력은 낮아지고 풍선이 빨려들어가면서 플라스크 벽에 붙게 된다.
4. 접착제 없이 풍선 붙이기
적당한 크기로 풍선을 불어 옷이나 머리에 문지른 후 붙여 본다.
원자는 크게 (+)전기를 띤 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 (-)전기를 띤 전자로 구성돼 있다. 그런데 물체를 서로 문지르면 전자가 이동되고 전자를 잃은 쪽은(+), 전자를 얻은 쪽은 (-)의 전기를 띠게 된다. 이렇게 발생한 전기를 마찰전기라고 한다. 건조한 날씨에 발생하는 정전기가 바로 마찰전기다.
5. 풍선으로 배우는 샤를의 법칙
① 적당한 크기로 풍선을 분다.
② 컵을 거꾸로 들어 가열한 다음 컵에 풍선을 대고 컵이 식기를 기다리면 컵에 풍선이 붙는다.
가열된 공기가 식으면서 부피가 줄어들고 부피가 줄어들면서 풍선을 잡아당겨 붙어있게 된다. 왜 그럴까.
압력이 같을 때 온도가 높아짐에 따라 부피가 늘어나고 온도가 낮아지면서 부피가 작아진다. 이런 현상을 샤를의 법칙으로 설명할 수 있다. 샤를의 법칙은 압력이 일정할 때 온도가 1℃ 올라갈 때마다 기체의 부피가 그 종류에 관계없이 0℃ 부피의 1/273씩 늘어난다는 것이다. 그러므로 가열된 컵에 풍선을 붙이면 컵이 식으면서 부피가 줄어들고 풍선을 컵 안으로 잡아당기게 된다.
다른 방법으로는 온도가 같을 때 부피가 줄어들면 압력이 작아지고 부피가 줄어들면 압력이 커진다는 보일의 법칙을 응용할 수 있다. 풍선을 조금 불었을 때 컵에 풍선을 붙이고 계속해서 풍선을 불어주면, 풍선의 반지름이 커지면서 풍선이 컵 밖으로 밀려나게 된다. 그러면 컵 안의 압력이 작아지게 돼 컵이 풍선이 붙는다.
6. 풍선 로켓 만들기
① 풍선을 불어 입구를 살짝 묶고 빨대를 스카치테이프로 붙인 다음 빨대에 줄을 끼운다.
② 줄을 팽팽하게 잡고 풍선 입구를 놓아주면 로켓처럼 풍선이 앞으로 전진한다.
풍선에서 벌어지는 현상은 커다란 로켓이 날아가는 원리와 같다. 풍선이나 로켓이 날아가는 것은 뒤로 빠지는 공기의 작용에 대한 반작용이다. 즉 "두 물체 사이에 상호작용하는 두 힘의 방향은 서로 반대이고 크기는 똑같다"는 뉴턴의 제3법칙인 '작용반작용의 법칙"을 이해할 수 있다.
