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새의 날개를 모방한 장치로 하늘을 날려고 한 생각은 천재 예술가이자 과학자인 레오나르도 다빈치(Leonardo da Vinci, 1452~1519)도 했답니다. 다빈치는 새처럼 하면 날 수 있을 거라 생각하고 1500년경에는 새를 해부해서 그 날개를 연구했죠. 그리고 <;그림 1>;처럼 새의 날개 뼈대와 비슷한 장치를 설계했답니다. 물론 깃털을 단 것은 아니고 천 같은 재료로 덮었으니 박쥐 날개에 가깝긴 합니다.

[<;그림 1>; 다빈치의 날개 기구 스케치]

정말 이카루스처럼 날 수 있을까요?

날개를 달고 그냥 펼치고만 있다면 글라이더처럼 활강하기만 했을 겁니다. 그렇지만 이카루스는 더 높게 날아 태양 가까운 곳까지 올라갔다니 그저 펼치는 게 아니라 새처럼 퍼덕퍼덕 날갯짓을 했다는 말입니다. 양쪽 팔에 날개를 달고 한번 날아볼까요?

날고 있는 새는 지구가 새를 당기는 힘인 중력과 새를 위로 뜨게 하는 힘인 양력을 받습니다. 날갯짓을 해서 속력을 내면 날개에서 몸무게 정도의 양력을 만들 수 있답니다. 일정한 높이로 날아가는 새는 중력과 양력의 크기가 같은 상태입니다. 즉 수직 방향으로는 힘의 평형상태죠. 한쪽 날개는 새의 몸무게 반 정도의 양력을 지탱해야 합니다. 그럼 이제 사람을 봅시다. 사람도 한 쪽 팔은 자기 몸무게 반이 되는 양력을 지탱해야 하죠. 그런데 팔을 굽힌 상태에서는 몸무게 반을 들고 있을 수 있지만, 팔을 쭉 편 상태로 얼마나 견딜 수 있을까요? 견디지 못하면 그 뒤는 상상하기도 싫군요.

정말 높이 올라갈수록 온도가 높아질까요?

또 한 가지 생각해 봅시다. 이카루스는 하늘 높이 올라가다가 밀랍이 녹아서 떨어졌다는데 높이 올라가면 온도는 어떻게 변할까요? 지표면에서부터 올라가 봅시다. <;그림 2>;처럼 대략 땅에서부터 10km까지는 기온이 낮아집니다. 이 지역을 대류권이라고 합니다. 높은 산 정상에 왜 만년설이 있는지 알겠죠?


그 위 성층권은 태양에서 나오는 자외선을 흡수하는 오존층이 있어서 올라갈수록 온도가 높아집니다. 중간권은 올라갈수록 온도가 낮아집니다. 거의 영하 90°C까지 떨어져요. 그리고 열권은 온도가 다시 올라가죠. 열권을 제외하고는 지표의 온도가 제일 높습니다. 그럼 이카루스는 열권까지 올라갔다는 말인데, 올라가기 전에 얼어 죽거나 산소 부족으로 죽었을 겁니다.


레오나르도 다빈치는 실현하지 못 했지만 헬리콥터형 나는 기계, 글라이더 등 많은 스케치를 남겼답니다. 심지어 ‘나는 배’도 설계했어요. 하늘도 날고 물에도 뜰 수 있는 비행기인 셈이죠. 만화영화 같다고요? 현대의 수상비행기와 위그선(수면비행선박)으로 실현됐답니다. 바다의 KTX라고 불리는 위그선은 올 3월부터 제주도에 갈 때 탈 수 있을 예정이예요.

서양에서만 하늘을 나는 꿈을 꾼 건 아니겠죠? 우리 선조에게는 ‘비차(飛車)’가 있었답니다.

[몽골피에 형제가 최초로 만든 열기구]

“임진왜란 때 정평구란 사람이 비차(飛車)를 만들어 진주성에 갇힌 사람들을 성 밖으로 데리고 나왔는데, 그 비차는 30리(약 11.8km)를 날았다.”

19세기 중엽, 실학자 이규경이 쓴 ‘오주연문장전산고(五洲衍文長箋散稿)’에 나오는 문장이에요. 임진왜란은 16세기에 일어났으니 이 기록이 맞는다면 우리의 선조는 이미 16세기에 비행체를 만들었다고 추측할 수 있죠.

새 모양을 연구해 나는 것과는 전혀 다른 방식으로 날기를 시도한 사람도 있습니다. 비슷한 시기에 연구된 열기구와 수소기구가 있죠. 이후 등장한 글라이더와 이것이 발전된 동력 비행기 등이 있고요. 우선 수소기구와 열기구에 대해서 알아봅시다.

1) 열기구

프랑스의 발명가였던 몽골피에 형제는 물리적인 지식은 없었지만 일상생활에서 알게 된 기체의 성질을 이용해 열기구를 만들었습니다. 처음에는 열기구만 날려보고 그 다음에는 동물을 태워 날려봤어요. 마침내 1783년 11월 21일. 두 사람의 물리학자를 태운 열기구를 띄우는 데 성공했습니다. 900m 높이로 25분이나 떠서 9km를 이동했다고 합니다. 이들의 열기구는 현재의 열기구와 비슷한 형태인데요, 공기에 열을 가하면 뜨거워진 공기가 가벼워지면서 위로 뜹니다. 이 부력으로 기구가 뜨는 것이죠.

2) 수소기구

몽골피에 형제가 열기구 비행에 성공한 지 열흘 뒤 12월 1일 또 다른 형제가 일을 냅니다. 샤를 형제가 수소기구를 띄운 것이죠. 2시간 동안 43km를 이동했습니다. 인화성이 강해서 ‘불타는 기체’라고 불렸던 수소는 아주 가벼운 기체죠. 수소는 공기보다 밀도가 작기 때문에 쉽게 하늘로 떠오를 수 있었죠.


수소기구는 몇 차례 폭발 사고가 있었을 정도로 위험했어요. 수소는 작은 불씨만 있어도 폭발적으로 불꽃이 일어납니다. 샤를이 처음 수소기구를 만들어 실험할 때 횃불을 든 구경꾼이 따라왔다니 큰일 날 뻔 했죠. 요즘은 다른 원소들과 만나도 거의 반응하지 않는 헬륨을 씁니다. 스페인의 한 우주관련 회사는 헬륨가스 풍선을 이용한 기구를 타고 성층권까지 올라가 우주와 지구를 감상하는 프로젝트를 추진하고 있다고 해요.

19세기 사진가 나다르(Nadar, 1820~1910)는 최초로 열기구를 사용해서 공중촬영을 시도하기도 했죠. 열기구는 요즘은 이동수단으로는 잘 쓰이지 않고 주로 레저, 관광용으로 쓰인답니다. 호주 캔버라 열기구 축제에 참가한다고 생각하면서 기발하고 재미있는 모양의 열기구를 디자인해 보세요. 디자인 한 후 축소모형을 만들어 봅시다. 세탁소에서 받은 비닐봉지나 한지를 이용해 주머니처럼 만들어도 좋습니다. 모형의 아래쪽에는 열기가 들어갈 수 있는 큰 구멍을 만들고 가스버너 등을 이용해서 열을 가하세요. 단, 구멍이 충분히 커서 불꽃이 직접 기구에 닿지 않도록 해야 합니다. 불꽃은 위로 길게 뻗기 때문에 기구는 위로 길쭉한 것이 안전하게 높이 뜨죠. 또 바구니를 달고 뜰 수 있으려면 부력이 충분히 커야 합니다. 따라서 기구의 부피는 충분히 크고 바구니는 가벼운 것이 좋겠죠? 자유롭게 디자인해보세요.

[열기구 바구니에 부인과 함께 앉아 있는 나다르]