d라이브러리

비빔밥용 그릇 2개의 내부를 뜨겁게 한 후 젖은 종이로 맞붙여본다. 그러면 이 그릇은 쉽게 떼어질까. 두사람이 양쪽에서 그릇을 잡아 당겨보자.


어느날 밤 슬기는 꿈 속에서 꽃미남 원빈을 만나 기쁨에 젖어있다. 그런데 갑자기 괴한들이 등장해 원빈을 납치해간다. 슬기는 원빈을 찾아 헤매다가 마침 모험이를 만난다.

슬기 : 모험이 오빠! 괴한들이 나의 사랑 원빈을 어디론가 데려가
버렸어.
모험이 : 음. 내가 그 괴한들의 본거지를 알고 있어.
슬기 : 거기가 어딘데?
모험이 : 여기에서 그리 멀지 않아. 다만 괴한들의 본거지로 들어 가려면 내부에서 누군가가 문을 열어줘야 해. 그곳은 내부에서만 문을 여닫을 수 있거든.
슬기 : 그럼 어떡해?
모험이 : 그 문제는 이미 손을 써놨어. 그곳에 첩자를 심어놨거든. 10분 후에 그곳으로 가면 돼. 그런데 슬기야! 더 큰 문제가 있단다. 우리가 원빈을 찾아온다고 해도 다시 괴한들이 납치해버리면 소용이 없어. 괴한들이 본거지에서 나오지 못하도록 해야 하는데.

내가 아는 괴한들의 본거지에 대한 정보를 말해줄께. 출입구로부터 약 5m 떨어진 곳에 열쇠가 있고, 그곳에 열쇠구멍이 있어. 이곳에 열쇠를 넣으면 일단 문이 열리고 5분 후에 닫히게 돼 있어. 그런데 열쇠는 그곳에서 입구 가까이로 조금만 갖고 나와도 바로 문이 닫혀버려.따라서 누구든지 열쇠를 외부로 갖고 나올 순 없어. 결국 내부에 있는 사람은 언제든지 문을 열 수 있단 말이야. 그러면 원빈을 찾아 데리고 나와도 소용없어. 괴한들이 다시 열쇠를 쓸 수 없도록 손을 써야 하는데… 5분만에 열쇠를 그 누구도 사용할 수 없도록 숨길 방법이 없을까?

이 말을 들은 슬기는 희미하게 미소를 띤다. 그러면서

슬기 : 모험이 오빠! 걱정할 것 없어. 내게 좋은 방법이 있지.

슬기가 생각해낸 묘책은 과연 뭘까?


마그데부르크 반구를 만든다

■ 왜 그럴까

▶ ▶ ▶ 왜 그릇이 잘 떨어지지 않을까?

우리 눈에는 보이지 않지만 공기도 무게에 의한 압력을 갖고 있다. 대기가 작용하는 압력을 기압이라고 하는데, 우리는 평균 1기압의 환경 속에서 생활하고 있다.

두개의 그릇을 겹쳐 놓으면 그릇의 안과 밖에서 작용하는 압력의 크기가 같아서 작은 힘으로도 쉽게 그릇을 떼어놓을 수 있다. 하지만 겹쳐놓은 그릇 속의 공기를 뽑아내 진공상태로 만들면 그릇은 밖에서 작용하는 기압만 받게 돼 겹쳐진 그릇은 쉽게 떼어지지 않는다.

그릇 속에 압력이 낮아지는 이유는 다음과 같다. 그릇 속에 메탄올을 붓고 연소시키면 그릇 속의 온도가 올라가면서 공기가 팽창해 그릇 밖으로 빠져나간다. 이 상태에서 뚜껑을 씌우고 찬물을 부으면 그릇 속의 공기가 수축하면서 압력이 낮아진다. 물론 그릇 속에는 공기가 조금 남아 있어 완전한 진공은 아니지만, 이 정도만으로도 떼어내기가 힘들다.

▶ ▶ ▶ 이 장치를 누가 처음으로 생각해냈을까?

이탈리아의 과학자 토리첼리(1608-1647)는 수은주의 실험을 통해 최초로 진공상태를 확인하고 기압을 발견했다. 이후 과학자들은 기압에 관한 여러 실험을 수행했다. 프랑스의 철학자 파스칼(1623-1662)은 평지와 산 정상에서 토리첼리의 실험을 실시해 산 정상에서의 기압이 평지에서의 기압보다 더 낮다는 사실을 확인하고, 기압이 공기의 무게 때문에 발생한다는 점을 밝혔다.

한편 독일의 과학자 괴리케(1602-1686)는 자신이 발명한 진공펌프를 이용해 기압의 크기에 관한 실험을 했다. 그는 구리로 만든 반구 두개를 합쳐놓고 그 속의 공기를 진공펌프로 뽑아내 안쪽을 진공상태로 만들면 반구가 쉽게 떨어지지 않는다는 것을 알았다. 그래서 그는 많은 시민들 앞에서 지름이 40cm인 반구를 떼어놓는 실험을 선보였다. 그 결과 한쪽에 8마리씩 모두 16마리의 말이 양쪽에서 끄는 힘으로 그 반구를 겨우 떼어놓을 수 있었다.

이 실험은 기압의 크기가 얼마나 큰가를 눈으로 확인할 수 있는 멋진 과학쇼다. 괴리케는 당시 독일 마그데부르크의 시장이었다. 그래서 이 실험을 ‘마그데부르크의 반구 실험’이라고 부르게 됐다. 이번 사이언스 어드벤처에서 만든 것도 일종의 마그데부르크 반구인 셈이다.


슬기는 5분 안에 마그데부르크 반구를 만들어 그 속에 열쇠를 집어넣는다. 그리고 원빈과 함께 괴한들의 본거지로부터 탈출! 기쁨에 소리지르다가 그 순간 꿈에서 깨어난다.


책받침으로 책상 들어올린다

■왜 그럴까?

책받침의 길이는 가로 20cm, 세로 30cm이다. 따라서 넓이는 6백cm2이다. 넓이 6백cm²의 책받침 위를 누르고 있는 공기의 무게는 얼마나 될까. 과학자들의 연구에 따르면 지표면에서 1cm²당 공기의 무게는 1.033kg중이다. 따라서 6백cm²의 책받침 위를 누르고 있는 공기의 무게는 약 6백kg중이다. 만약 책받침이 책상면에 단단히 밀착돼 있기만 하면 책받침 위에는 6백kg의 공기가 누르고 있는 셈이다. 따라서 아무리 힘이 센 사람이라도 책받침을 책상에서 떼어 들어올릴 수 없다.

우리는 지표면의 기압이 1기압이고 1기압은 1013hPa(헥토파스칼)이라고 알고 있다. 이 값은 어떻게 나왔을까. 지표면에서 1cm²당 공기의 무게는 1.033kg중이다. 이를 중력가속도 값 9.807(m/${초}^{2}$)을 곱해 힘의 단위인 뉴턴(N)으로 환산하면 1.033kg중×9.807m/${초}^{2}$ = 10.13N이 된다. 즉 1cm²당 작용하는 공기의 압력은 10.13N이고, 이를 1㎡당 작용하는 압력으로 고치면 10.13×104N/m²가 된다. N/m²은 파스칼(Pa)이고 헥토(hecto)는 1백을 뜻하므로, 10.13×10⁴N/m² = 11013×${10}^{2}$N/m² = 1013hPa이 된다.