[소년중앙] 보이지 않는 거대한 힘, 압력의 위력

‘과학, 실험, 으악 따분해!’라고 느낀 적 있나요. 이제 걱정하지 말아요. 소년중앙이 집에서 준비할 수 있는 물건으로 재미있는 실험을 시작합니다. 초등학교 과학 연구 교사 모임 아꿈선(www.아꿈선.com)과 함께하는 소꿈연구실이에요. 소꿈연구실에서 가벼운 실험을 하나씩 성공하다 보면 과학과 친해질 수 있을 거예요. 차근차근 따라 해 보고, 소년중앙 홈페이지(sojoong.joins.com)에 인증도 해봅시다.

오늘의 실험

공기 대포로 촛불 끄기(6학년 2학기 3단원 1차시)

준비물

페트병, 가위, 칼, 풍선, 테이프, 촛불, 점화기

실험과정

1 칼과 가위를 이용해서 페트병을 자릅니다.

2 고무풍선을 자릅니다.

3 자른 고무풍선을 페트병의 넓은 부분에 씌워요.

4 절연 테이프로 이음새를 붙여 고정하세요.

5 점화기로 촛불에 불을 붙여봅니다.

6 고무풍선을 잡아당겼다 놓아서 촛불을 꺼보세요.

오늘의 개념. 공기 대포의 원리
현미경, x-ray, 전류 측정기 등 여러 도구를 사용하면 눈에 보이지 않는 것을 보거나 느낄 수 있습니다. 공기를 느낄 수 있게 해주는 도구로 공기 대포가 있어요. 공기 대포를 누르면 분명 아무것도 보이지 않는데 촛불이 꺼지죠. 이때 촛불을 끈 물질이 바로 공기예요. 공기 대포 속 공기는 뒤뿐 아니라 위를 쳐도, 심지어 앞부분을 두들겨도 전부 구멍이 뚫린 앞쪽 입구로 튀어나와요. 이 현상은 프랑스의 위대한 과학자이자 수학자, 철학자인 파스칼이 발견했죠. 파스칼의 원리라고 불리는 이 현상은 정지해 있는 유체의 일부분에 가해진 압력은 같은 세기로 유체 내부 모든 부분에 전달된다는 유체역학을 설명합니다. 공기 대포 속 공기는 대포의 위·아래·앞 어느 부분을 누르건 파스칼의 원리에 의해 모든 부분에 같은 압력을 받고, 가장 약한 부분인 구멍을 뚫고 나와요. 이때 구멍이 작을수록 빠져나올 때 압력이 강해져 공기 대포의 세기가 커지죠. 여러분이 매일 짜는 치약에도, 자동차의 브레이크에도 파스칼의 원리가 숨어 있답니다.

대포의 원리
그럼 실제 대포의 원리는 어떨까요. 공기 대포와 마찬가지로 파스칼의 원리가 적용됩니다. 이외에도 작용 반작용의 법칙, 발화점의 원리 등 다양한 과학 원리들이 들어가죠. 포탄이 발사되는 과정은 ‘자극→화약 폭발→가스 팽창→압력 발생→발사’로 진행돼요. 포탄 속에는 뇌관이라는 금속관이 있고 뇌관에는 화약이 담겨 있는데, 뇌관 속 화약에 직접 충격을 주거나 전기스파크를 가하면 순간적으로 폭발하고 가스가 발생하죠. 이때 고체에서 기체로 변하면서 부피가 크게 늘어나며 엄청난 가스 압력이 발생해요. 이 압력에 의해 포탄이 움직이게 되고, 포신의 방향에 따라 날아간 포탄이 떨어지게 되죠. 대포는 과거 같은 편에게도 공포를 줬어요. 뇌관 속 화약이 폭발할 때 파스칼의 원리에 따라 포탄으로만 압력이 향하는 것이 아니라 포신 내부 모든 방향으로 압력이 발생하는데, 이를 포신이 견디지 못하면 터지면서 주변 사람들이 크게 다쳤거든요. 현재는 화약이 터지면서 생기는 압력을 포탄에 대부분 향할 수 있게 여러 추가 장치들이 개발됐죠.

압력이 가진 힘
눈에는 보이지 않지만, 엄청난 힘과 괴력을 발휘하는 현상, 바로 압력이죠. 압력이란 일정한 넓이에 가해지는 힘입니다. 우리 심장도 이 압력에 의해 뛰고 있죠. 공기 때문에 가해지는 기압, 대기가 우리를 누르는 대기압, 물의 압력인 수압 등 압력은 지금도 여러분을 엄청난 힘으로 누르고 있어요. 우주에 맨몸으로 가면 죽게 되는 이유도 압력하고 관련이 있죠. 지금도 우리 몸을 둘러싼 공기가 우리 몸을 누르고 있는데요. 만약 공기가 갑자기 없어져서 몸을 누르는 힘이 없어지면 우리 몸은 부풀어 오르면서 위험해지죠.

변화의 달인 압력
코끼리는 척 봐도 무거워 보이죠. 무거운 코끼리가 발을 밟는다면 어떨까요? 발이 다 부서지겠다고 생각할 수 있지만, 실제 코끼리에게 밟혀도 생각보다 아프지 않을 거예요. 그건 바로 압력 때문입니다. 압력은 변화의 달인이에요. 같은 힘이라도 어떨 때는 철도 부술 수 있지만, 어떨 때는 이쑤시개 하나도 못 부숴요. 그 이유는 압력을 받는 넓이가 달라서죠. 힘이 같다면 그 힘을 받는 범위가 넓어질수록 압력은 약해지고, 반대로 힘을 받는 범위가 좁을수록 강해집니다. 코끼리의 몸무게가 4000kg이라면 발이 4개니까 4000kg 나누기 4를 해서 한 발에 1000kg씩이죠. 이때 코끼리 발 하나의 넓이는 1060cm²으로 1cm²당 1kg의 무게가 실릴 거예요. 4t의 몸무게지만 코끼리의 넓은 발 덕분에 엄지발가락에 1L 생수를 올려둔 것과 같은 무게가 실리는 거죠. 그럼 코끼리 무게의 1/3 정도 되는 기린이 발을 밟으면 어떻게 될까요? 코끼리보다 가벼우니 괜찮을 것 같지만 오히려 심각한 부상을 입을 수 있어요. 기린의 발은 코끼리의 발처럼 넓지 않아 오히려 같은 넓이에 더 많은 무게로 눌리게 되죠. 그럼 사람이 발을 밟으면 어떨까요? 같은 사람이라도 밟았을 때 신은 신발에 따라 달라집니다. 운동화인지, 구두인지에 따라 땅에 닿는 면적이 다르기 때문이죠. 만약 까치발을 딛고 있는 사람이 발을 밟으면 다칠 수 있어요. 코끼리가 발을 밟았을 때보다 더 많은 압력을 받을 수 있거든요.

※ 외부 필진 원고는 본지 편집 방향과 일치하지 않을 수 있습니다.

글=김선왕 아꿈선 영상팀장, 정리=한은정 기자 han.eunjeong@joongang.co.kr