푸른 파도와 붉은 태양의 유혹이 강렬해지는 계절. 사람들의 마음은 이미 수영장 속에 풍덩. 이제 부서지는 물방울을 프리즘 삼아 수영장 구석구석에 드러나는 과학적 현상을 살펴보자.
놀이나 더위를 피하기 위해 또는 물 속의 먹을 것을 찾기 위해 시작했을 것으로 여겨지는 수영. 세상에 나오기 전인 양수 속에서의 움직임을 수영으로 친다면 수영은 인류의 기원만큼이나 오래된 것으로 봐야한다. 실제로 수영에 대한 가장 오래된 기록은 리비아 사막에 있는 와디소리의 동굴 암벽에 헤엄치는 사람이 그려진 것으로 기원전 9천년경이다. 그 후 고대 이집트에서는 수영이 귀족들의 전유물로 자리잡았고, 18세기 들어서면서 일반인들에게 친근하게 다가왔다.
과거에 수영은 여름에 하는 것으로 여겨졌으나 오늘날은 사계절 전천후 스포츠로 자리잡았다. 그것은 바로 실내수영장 덕분이다. 여기에 바다에서나 즐길 수 있는 파도를 인공적으로 만들어내는 수영장까지 등장해 이제는 실내에서도 바다의 기분을 만끽할 수 있다.
① 수경과 계면활성제와의 만남
수영을 하려면 물 속에서 눈을 떠야한다. 하지만 눈을 뜨는 것은 쉬운 일이 아니다. 그래서 대부분 수경을 착용한다. 하지만 물이 닿는 부분과 눈이 있는 쪽의 온도차 때문에 쉽게 김이 서린다. 그렇게 되면 수경 내부가 곧 뿌옇게 흐려져 눈을 감은 것과 별반 차이가 없어진다.
일반적으로 렌즈가 뿌옇게 흐려지는 것은 기체인 수증기가 렌즈 표면에서 액체인 물로 응축되기 때문에 나타난다. 물은 표면장력이 커서 주변의 물방울을 잘 잡아당긴다. 그러면서 렌즈표면을 울퉁불퉁하게 만든다. 이렇게 만들어진 물방울 때문에 시야가 흐려진다.
이를 보완하기 위해 요즘 사용되는 수경 렌즈에는 안티포그(Anti-Fog)액이 코팅돼 있다. 일반적으로 우리가 착용하는 수경은 안티 포그액을 렌즈 표면에 스프레이로 뿌려 자외선으로 굳히는 방법으로 만들어진 폴리카보네이트 수경이다. 이 안티 포그액은 물에 녹기 때문에 물 속에서 오래 사용할수록 서서히 깍여나간다. 오래 사용한 수경이 물 속에서 별반 효과가 없는 것은 이 때문이다.
그러면 안티 포그액의 성분은 무엇일까. 한마디로 계면활성제다. 안티포그액이 물의 표면장력을 감소시켜 물방울이 서로 모이는 것을 막는 다는 얘기다(그림1). 즉 온도 차이에 의해 물방울이 만들어지더라도 서로 모여드는 것이 아니라 골고루 퍼져 얇은 수막을 만드는 것과 같은 효과를 보인다. 즉 시야를 흐리지 않는다. 물 속에 들어가기 전에 비눗물이나 침을 바르는 것도 비눗물이나 침이 계면활성제 노릇을 하기 때문이다. 목욕탕 거울이 뿌옇게 흐려지는 것을 막기 위해 비누칠을 하는 것도 같은 맥락이다.
이러한 코팅 말고 렌즈의 구조를 두겹으로 만드는 방법도 있다. 렌즈와 렌즈 사이에 진공인 공간을 둠으로써 물쪽 렌즈의 수온과 눈쪽 렌즈의 온도차 때문에 발생하는 김서림을 물리적으로 보완하는 경우도 있다. 하지만 이것은 진공인 부분으로 물이 들어갈 경우 물을 빼내기가 어려워지기 때문에 물속에서 사용하는 수경보다는 스키 고글에 더 유용하다.
② 구명재킷과 부레
수영을 시작하는 사람들의 1차적인 고민은 물 속에서 뜨지 않는다는 것이다. 하지만 물 속에 뜨지 않는 사람은 거의 없다. 물에 서있지 않고 몸을 자연스럽게 눕히기만 하면 쉽게 뜬다. 왜냐하면 몸 속에 늘 남아있는 공기 덕분에 물과 몸의 밀도는 비슷하기 때문이다. 물론 물보다 밀도가 작은 몸의 지방성분도 한몫 한다. 성인 남자의 경우 최대한 공기를 흡입할 수 있는 양은 4.5L고, 보통 남아있는 공기량도 1.2-1.4L가 된다. 이것은 물 밀도의 8배나 되는 철로 만든 배가 물위에 뜰 수 있는 것과 같은 원리다. 즉 물체가 부력을 더 많이 받을 수 있도록 부피를 크게 만든다는 얘기다.
그렇다고 물 속으로 깊이 들어가는 것이 쉬운 일은 아니다. 물체가 물 속에 가라앉으려면 물체의 무게는 부력보다 커야한다. 만약 무게가 부력보다 작으면 표면 위로 떠오른다. 가라앉느냐 뜨느냐하는 것은 부력과 물체의 무게에 달려있다. 물체를 물 속에 잠기도록 밀어넣었다고하자. 물 속에 완전히 잠긴 물체의 밀도가 물의 밀도보다 크면 가라앉고, 같으면 그대로 가만히 있고, 작으면 떠오른다. 왜냐하면 부력=유체의 밀도×물체의 부피이고, 물체의 무게=물체의 밀도×물체의 부피이기 때문이다.
물고기는 부레를 확장시켜 밀도가 줄어들면 위로 떠오르고, 수축시켜 밀도를 크게 하면서 아래로 내려간다. 즉 자신의 부피를 변화시켜 밀도를 조정하면서 물 속을 오르락내리락하는 것이다(그림2). 물놀이 때 사람들이 입고있는 구명재킷도 이 원리를 이용한 것이다. 구명재킷은 무게는 조금 늘어나는 반면 부피는 많이 늘어나도록 한다. 즉 사람 전체의 밀도를 감소시키는 결과를 가져온다. 따라서 물 속으로 가라앉는 것을 막아준다.
③ 물 속에서는 천하장사
물 속에 들어가면 왠지 몸이 가벼워지는 것을 느낄 수 있다. 실제로 물 속에 잠긴 사람의 체중은 공기 중에서 측정한 체중의 약 1/6 - 1/7정도밖에 되지 않는다. 또 강바닥에 잠긴 커다란 돌멩이를 수면까지 들어올리기도 쉽다. 누구라도 평소에 들 수 없었던 대부분의 물건도 물 속에서는 쉽게 들 수 있다는 얘기다. 그렇다면 중력과 반대방향으로 돌멩이에 어떤 힘이 가해진다는 말일까.
물 속에 잠긴 정육면체를 생각해보자. 정육면체의 양쪽에 작용하는 물의 압력은 서로 반대 방향이므로 상쇄된다. 그러나 아랫면에는 윗면보다 더 큰 수압이 작용한다. 즉 정육면체는 위로 향하는 힘을 받는다. 이것이 부력이다. 위로 향한 힘은 정육면체에 작용하는 수압차이 때문에 생긴 것으로 윗면과 아랫면에서 누르는 물의 무게 차이와 같다. 따라서 정육면체가 받는 부력은 정육면체 부피에 해당하는 물의 무게인 것이다. 이러한 사실은 일찌감치 아르키메데스의 원리로 밝혀졌다. 아르키메데스는 유체 속에 담긴 물체는 넘친 액체의 무게와 같은 크기의 부력을 받는다고 말했다. 유체 속에 잠긴 물체의 모양에 관계없이 부력의 크기는 유체의 무게와 같다는 말이다.
④ 선탠과 선블럭
여름 수영장 스케치에서 빠지지 않는 풍경이 있다. 그것은 바로 선탠 오일을 바르고 누워있는 구릿빛 피부의 남녀들이다. 흔히 선탠 오일은 피부를 잘 태워주는 것이고 선블럭 크림은 자외선을 막아주는 것으로 생각하지만 사실 둘다 자외선 차단제가 들어가 있는 제품들이다. 단지 그 차단 정도가 다를 뿐이다.
자외선차단제가 들어있는 제품에는 일광차단지수 SPF(Sunscreen Protection Factor)란 숫자가 나타나 있다. 이것은 어떤 사람이 햇빛 아래서 30분 지나면 피부가 빨갛게 탄다고 할 때 SPF가 15라면 30분의 15배인 450분이 지나야 피부가 탄다는 것을 의미한다. 즉 SPF가 높을수록 자외선 차단효과가 크다는 것이다. 하지만 숫자가 클수록 피부에 대한 자극도 크므로 부작용 가능성이 크다. 이 지수는 사람과 조건에 따라 틀려 SPF가 15정도면 자외선을 차단할 수 있는 시간이 2시간 정도 밖에 안된다. 자외선 차단제를 발랐다고 하루종일 효과가 지속되는 것은 아니라는 것을 염두에 둬야한다. 대개 바닷가나 야외에서 운동을 할 때는 SPF가 15-25 정도인 것을, 선탠을 할 때는 5 - 7 정도의 것이 적당하다.
피부는 강한 자외선에 노출되면 건조해지고 잔주름이 생긴다. 야외 수영장이나 바닷가에서 피부가 더 잘 탄다는 것은 경험으로 알 수 있다. 피부는 바람이 잘 불고 습도가 높으며, 빛을 많이 반사하는 곳에서 더 잘 탄다. 실제로 촉촉한 피부는 건조한 피부에 비해 빛 흡수율이 4배 이상 크다.
자외선은 크게 파장에 따라 3종류로 나뉘는데, 피부를 그을리게 만드는 자외선은 자외선B (290-320nm)다. 따라서 자외선차단제가 들어있다고 하는 제품들의 대부분은 자외선 B를 차단한다는 말이다. 따라서 자외선 A(320-400nm)에 의한 색소 침착은 막을 수 없다. 파장이 가장 짧은 자외선C(200-290nm)는 인체에 가장 유해한 영향을 미치나 오존층에 의해 흡수되므로 지표에 거의 도달하지 못한다. 근래 오존층이 파괴되면서 문제가 되고 있는 것이 바로 자외선 C다(그림4).
⑤ 드레스에서 비키니까지
벌거벗고 수영하는 사람 없듯이 목욕탕에서 수영복 입는 사람도 없다. 지금으로서는 매우 당연하게 들리지만 1850년 이전까지만 해도 많은 사람들은 벌거벗고 파도를 즐겼다. 수영복이 등장한 것은 얼마되지 않는다. 초창기의 여성 수영복은 양모로 짠 팬츠와 가죽띠로 졸라매는 무릎까지 내려오는 검은 블라우스 형태였다. 남자들은 선원복 비슷한 줄무늬 옷을 입었다. 수영복은 1946년 프랑스의 쟈크 앵이 디자인 한 비키니 수영복이 등장하기 전까지 크게 주목받지 못했다. 1890년대까지 수영복은 드레스에 가까울 만큼 사치스러운 것이었다. 그러던 것이 1900년경 영국에서 수영을 스포츠로 발달시키면서 장식이 없어지고 몸에 붙는 형태로 바뀌었다.
예전이나 지금이나 수영복은 남자들보다는 여자들에게 중요하다. 왜냐하면 피부를 덮는 수영복의 면적이 남자보다는 여자가 넓기 때문이다. 수영 속도가 빨라지면 그 만큼 물의 저항도 커진다. 따라서 수영복의 소재와 디자인은 수영 속도에 큰 영향을 미친다. 수영복은 처음에 흡습성과 신축성이 좋은 울로 만들어졌다. 그러다 64년 도쿄올림픽에서 100% 나일론 수영복이 선을 보였다. 나일론은 이전보다 물 흡수가 적어 호평을 받았지만 신축성이 한 방향으로만 주어져 선수들에게 좋은 착용감을 주지는 못했다. 이 후 76년 몬트리올 올림픽에서는 나일론과 폴리우레탄사를 혼합해 가로 세로 모두 늘어나는 소재가 개발됐다.
수영복에서 중요한 것은 수영복 자체가 물의 저항을 얼마나 줄일 수 있는가 하는 것이다. 따라서 88년 서울 올림픽 때는 수영복의 표면을 매끄럽게하고 물과의 마찰계수를 줄이기 위해 실의 굵기를 20 μm에서 8.5 μm로 가늘게 만들었다. 이후 92년 바르셀로나 올림픽에서 이 실 한올한올을 압축해 더 미끄럽게 만들어 저항을 최소화했다. 여기에 96년 애틀랜타올림픽에서 선보인 수영복은 폴리우레탄과 폴리에스터를 혼합해 제조한 원단에 발수성 수지를 입혀 물을 튀겨내는 효과를 이끌어냈다. 빠른 속도만큼 커지는 저항을 최대한 줄여보려고 노력한 것이다.
2000년 시드니올림픽에서는 어떤 수영복이 등장할까 주목된다.
⑥ 물 소독은 이렇게
일반적인 수영장 크기(50m×25m×2m)에 들어가는 물의 양은 약 4천t. 이 어마어마한 양의 물도 여러 사람이 이용하기 때문에 오염되는 것은 시간문제다. 그렇다고 수시로 물을 바꾸기도 비용이 만만치 않다. 따라서 대부분의 수영장은 물을 깨끗이 관리하기 위해 체계적인 시스템을 이용한다. 수영장의 수질은 탁도 5도 이하, pH 5.8-8.6, 잔류염소 0.2 ppm이상, 유기물의 양을 나타내는 과망간산칼륨 소비량 12ppm 이하, 오염정도를 나타내는 대장균이 100mL 샘플 5개 중 3개 이하로 나타나야 한다는 기준을 가지고 있다. 이 정도의 수질을 유지하기 위해 수영장에서는 살균제와 응집제, pH조절제, 여과기가 쓰인다(그림5).
우선 물 속의 병균을 죽도록 만드는 것이 염소계 살균제다. 대체로 하이포아염소산나트륨이나 이염화아이소사이아누르나트륨이 사용된다. 물 속의 부유물은 여과기를 통해 걸러진다. 그러나 물 속의 오염물질은 사람의 피부로부터 나오는 땀 등의 분비물로 눈에 쉽게 보이지 않는 미세한 것이 많아서 여과기에서 걸러지지 않는다. 따라서 이들을 걸러내기 위해서는 황산알루미늄과 같은 응집제가 필요하다. 또 살균제를 비롯해 분비물은 대체로 산성을 띠기 때문에 물은 쉽게 산성화된다. 이를 막기 위해 소다회같은 염기성의 pH 조절제를 넣어준다.
작은 수영장의 경우 이러한 약품을 기계실을 통해 하루 중 3-4번 주입시켜주기도 하지만 대형 수영장에서는 각 기준이 컴퓨터시스템으로 통제된다. 24시간 순환여과기를 통해 물이 세척되면서 줄어든 양만큼의 물은 자연스럽게 교체된다. 그러면서 잔류 염소량이 적어지면 곧 염소계 살균제가 투입되는 등 모든 시스템이 자동으로 조절된다.
⑦ 마찰력 지뢰밭
어떤 스포츠든 안전사고는 있게 마련이다. 그 중 수영장에서 벌어지는 안전사고의 많은 부분이 바로 물 때문이다. 물의 깊이를 어림하지 못하고 깊은 곳에 가 허우적거리거나 얕은 곳에서 다이빙을 해 사고가 나는 경우도 많지만 수영장 바닥에서 미끄러져 다치는 경우도 흔하다. 수영장 규칙을 보면 뛰어다니지 말고, 서로 밀고 당기지 말라는 말이 있다. 이것이 바로 바닥에서 쉽게 넘어질 수 있기 때문이다. 그렇다면 다른 곳과 달리 수영장에서 쉽게 넘어지는 이유는 무엇일까. 바로 물이 지면과의 마찰을 줄여주기 때문이다.
마찰력 하면 흔히 자동차 타이어가 마모되고, 자동차 엔진 동력의 약 20%가 내부 마찰력으로 소모된다는 것 등을 떠올린다. 마찰력은 물체가 서로 접촉해 운동할 때 그 접촉면 사이에 작용하는 힘으로 운동방향과 반대방향으로 작용한다. 마찰력에는 여러 종류가 있지만 모든 마찰력은 운동을 방해하도록 작용한다. 지구 주위를 도는 인공위성들도 희박하지만 대기와의 마찰 때문에 점차 속력을 잃고 지구를 향해 떨어진다.
마찰력이 있기 때문에 불편한 점만 있는 것은 아니다. 땅을 걸어다닐 수 있는 것, 자동차나 자전거를 타고 다닐 수 있는 것, 종이 위에 연필로 글씨를 쓸 수 있는 것, 달리는 자동차를 브레이크를 이용해 멈출 수 있는 것, 벽에 못을 박을 수 있는 것 등이 모두 마찰력 때문에 가능한 일이다.
마찰력은 접촉하는 물질의 종류에 따라 다르다. 예를 들어 콘크리트와 고무타이어 사이의 마찰력이 강철과 강철 사이의 마찰력보다 크게 나타난다. 이 때문에 도로의 중앙 분리대는 강철로 만들지 않고 콘크리트로 만든다. 수영장 바닥은 물이 묻은 사람들이 이동하면서 쉽게 얇은 수막이 생긴다. 즉 바닥이 물로 덮이면서 발바닥과 수영장 바닥 사이의 마찰력이 감소한다는 얘기다. 수막 때문에 수영장 바닥의 마찰이 감소하면 쉽게 넘어진다. 즉 수영장에서 뛰거나 장난치지 말라고 하는 것은 수영장 바닥의 마찰력이 최대로 감소한 상태라는 것을 암시하는 말이다.
수영장 바닥이 마찰력이 줄어들어 위험한 것도 사실이지만 이를 이용한 것이 있다. 슬라이드가 그것. 슬라이드를 그냥 미끄럼타듯 타고 내려오면 수영복에 구멍이 뚫리는 것은 물론이고 살갗이 벗겨질 정도로 열이 날 것이다. 이 또한 마찰력 때문이다. 이를 막기 위해 수영장 슬라이드에는 물을 흘려 보낸다. 마찰을 줄여 득을 보는 다른 예이다.
