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모험이와 슬기는 요즘 영화‘해리포터와 아즈카반의 죄수’가 개봉하기를 손꼽아 기다리고 있다. 영화를 좀더 재미있게 보기 위해 두 사람은 마술학교에서 마술을 배우기로 했다. 하지만 마술학교에 입학하기 위해서는 간단한 마술 테스트를 통과해야 한다. 모험이와 슬기는 테스트를 받기 위해 마술학교를 찾았다.

슬기 : 오빠, 너무 떨려. 우리가 과연 테스트를 통과할 수 있을까?
모험이 : 걱정하지마. 잘 될거야.
마술사 : 여러분, 조용! 조용! 자, 지금부터 마술학교 입학을 위한 테스트를 시작하겠어요. 여러분은 앞으로 두가지 마술을 보게 됩니다. 이 마술의 비밀을 푸는 사람에게만 마술학교 입학 자격이 주어집니다.

마술사는 우선 탁구공 2개를 꺼내 바닥에 튀겨서 둘이 똑같은 모양의 동일한 공임을 확인시켰다. 그런데 마술사가 2개의 공을 손바닥에 놓고 주문을 외운 후 바닥에 튀기자 이 중 공 1개는 튀지 않는 것이었다. 그리고 이번에는 탁자 위에 유리병을 놓고 동전에 물을 묻혀 병 입구에 올려놓은 뒤 병을 손으로 감싸자 동전이 저절로 움직이는 것이 아닌가.

슬기 : 모험이 오빠, 혹시 탁구공이랑 동전에 우리 눈에는 안 보이는 줄을 매달고 움직인 게 아닐까?
모험이 : 글쎄…. 잠깐만, 마술사 선생님! 제가 탁구공이랑 병을 좀 살펴봐도 될까요?
모험이는 마치 탐정이 된 양 돋보기를 꺼내들고 탁구공과 유리병을 구석구석 관찰했다.
모험이 : 탁구공 1개에는 조그만 점이 있어. 그리고 유리병 바깥에는 성에가 껴 있는 걸.
모험이는 갑자기 무릎을 탁 치며 뭔가 알아냈다는 듯이 자신 있는 웃음을 지었다. 과연 모험이는 마술의 비밀을 풀고 슬기와 함께 마술학교에 입학할 수 있을까.

▶▶▶ 탁구공의 작은 구멍으로 물이 들어간 이유는?

상온에서 탁구공 표면의 지름이 1mm가 채 되지 않는 작은 구멍으로 물을 넣기란 쉬운 일이 아니다. 이미 탁구공 속에 공기가 가득 차 있어 물이 들어갈 공간이 없기 때문이다. 따라서 탁구공 속의 공기를 먼저 빼는 것이 이 실험의 핵심이다.

여기서 압력이 일정할 때 모든 기체는 온도가 올라가면 부피가 늘어나고 온도가 낮아지면 부피가 줄어드는 성질(샤를의 법칙)이 이용된다. 탁구공을 따뜻한 물 속에 담그면 탁구공 속 공기의 부피가 늘어나 공기가 탁구공 밖으로 나오게 된다. 실험에서 발생한 공기 방울이 그 증거다. 그 다음 탁구공을 찬 물에 담그면 탁구공 속의 줄어든 공기 부피만큼 물이 들어가 탁구공 속을 채우게 된다. 따라서 만약 탁구공 속에 많은 양의 물을 넣고 싶다면 따뜻한 물과 차가운 물의 온도 차이를 크게 하면 된다.

▶▶▶ 물이 든 탁구공이 잘 튀지 않는 이유는?

탁구공이 바닥에 충돌하는 짧은 시간 동안 탁구공에는 일정한 세기의 충격이 가해진다. 보통 탁구공은 속이 비어있기 때문에 바닥과 충돌하면 충돌에 대한 반작용으로 튀어 올라간다. 하지만 탁구공 속에 물이 들어 있으면 탁구공이 바닥에 닿을 때 발생하는 충격이 물에 골고루 전달돼 흡수된다. 탁구공 속의 물이 마치 스펀지 같은 역할을 해 충격을 모두 흡수하는 것이다.

탁구공을 딱딱한 바닥 대신 푹신한 담요 위에 떨어뜨렸을 때 잘 튀지 않는 것도 마찬가지 원리다. 이는 물이 든 탁구공이 바닥에 떨어졌을 때 탁구공이 떨어진 지점에서 바로 정지하지 않고 빙글빙글 도는 현상을 관찰해도 알 수 있다. 즉 탁구공 속의 물에 힘이 전달돼 물이 움직이고 이로 인해 탁구공이 움직이는 것이다.

▶▶▶ 동전이 움직이는 이유는 뭘까?

유리병은 냉장고에서 냉각됐기 때문에 온도가 낮다. 즉 유리병 속에 들어있는 공기의 온도도 낮다. 이때 병을 손으로 감싸 쥐면 손의 체온으로 유리병이 가열돼 유리병 속 공기의 온도가 올라가면서 부피가 늘어난다. 이처럼 공기의 부피가 늘어나면서 유리병 입구의 동전을 밀어내 동전이 딱딱 소리를 내면서 움직이는 것이다.

▶▶▶ 꼭 유리병을 사용해야 할까?

실험할 때 유리병 대신 음료용 페트병을 사용하는 것도 가능하다. 하지만 페트병 벽은 탄성이 있어 공기의 부피가 늘어나면 페트병이 팽팽하게 부풀 수 있기 때문에 유리병에서 실험하는 것보다 동전의 움직임이 작다. 또 페트병은 유리병보다 빨리 데워지고 빨리 식기 때문에 동전의 움직임을 관찰할 시간이 부족하다. 따라서 실험에는 유리병이 더 적합하다.