[실험]빙글빙글~ 스스로 회전하는 모빌 만들기

아름다운 장식물로 사용되는 모빌은 1932년 미국의 조각가 콜더의 작품이 오브제 모빌이라는 명칭으로 불리면서 사용됐다. 어느 한 점에 고정해 두면 조각이나 공예품이 바람에 따라 움직이면서 소리가 나는 것이 가장 흔한 모빌이다. 바람이 불지 않을 때는 손으로 살짝 스쳐주면 움직이지만 과학의 원리를 이용하면 스스로 회전하는 모빌을 만들 수 있다.

[교과과정]
초등 4-2 열전달과 우리생활
초등 6-2 연소와 소화
중등 1 기체분자의 운동

[학습주제]
공기 중에서 열의 이동 이해하기
고체, 물에서 열의 이동 이해하기
전도, 대류, 복사에 대해 알아보기
생활 속에서 열이 이동하는 예 찾아보기

<실험 방법 및 원리>


<실험 동영상>



* 실험 참고사항 : 종이컵이나 나선 도면이 촛불에 닿지 않도록 주의하세요.

실험에서 나선 모형의 모빌이 스스로 회전하는 비밀은 ‘촛불’에 숨어있다. 양초에 불을 붙이면 주변 공기가 데워지면서 공기의 흐름이 바뀐다. 따뜻해진 공기는 가벼워져서 위로 올라가고 반대로 차가운 위쪽의 공기는 상대적으로 무거워져 아래로 내려온다. 이런 현상을 ‘대류’라고 하며 이런 흐름이 나선 모형을 밀어 올리기 때문에 빙글빙글 회전하는 것이다.

대류 현상은 온도에 따라 밀도가 변하기 때문에 생기는 현상이다. 대류 현상으로 공기 중에서 열이 이곳저곳으로 이동하게 된다. 대류는 기체뿐만 아니라 액체에서도 일어난다.

대류현상이 일어나는 이유는 무엇일까?
대류현상은 밀도가 높은 것은 아래로, 낮은 것은 위로 가려는 현상 때문에 생긴다. 대기에서는 햇빛 때문에 대류현상이 일어나는데, 지상 주변의 공기는 햇빛으로 가열돼 밀도가 낮아 올라가고 높은 고도에서 차가워진 공기는 다시 지상으로 내려온다. 이 때문에 기압 차이가 생겨 바람이 불거나 비가 내리는 기상현상이 생기는 것이다.

방안의 온돌에 의한 난방 방식도 대류 현상을 이용한 것이다. 방바닥이 뜨겁게 데워지면 아래쪽의 공기가 따뜻해져 위로 상승하고 위쪽의 찬 공기가 아래로 내려오고, 이런 공기의 순환이 일어나며 방안의 공기가 전반적으로 데워지는 원리다.

우리가 느낄 수 없는 곳에서도 대류 현상은 일어난다. 지구의 지각과 핵 사이에 위치한 맨틀이 그곳으로 지구 전체 부피의 82%, 전 질량의 68%를 차지할 정도로 규모가 크다. 지구 핵에 가까워질수록 온도가 높아지기 때문에 온도차에 의한 밀도변화로 대류현상이 일어난다. 맨틀은 단단한 지각과 달리 점성유체의 성질을 가지기 때문에 이 위에 지각이 떠 있는 형태다. 따라서 대류현상이 일어나면 지각의 판이 움직이게 된다.

판의 이동은 대부분 지진이나 화산의 원인이 되는 요소로, 무시무시한 자연재해로 이어질 수 있기 때문에 중요한 현상이다. 하지만 다행히도 판의 이동은 매우 느리게 일어나 우리가 느낄 수 없는 수준이며 화석이나 지질 조사를 통해서만 알 수 있다.

겨울철 물고기가 얼어 죽지 않는 이유도 대류 때문이다. 물은 섭씨 4도에서 가장 밀도가 크다. 따라서 수면 온도에 상관없이 바닥은 항상 4도로 유지된다. 수면에 얼음이 얼 정도로 기온이 낮아져도 강 전체가 쉽게 얼지 않는 이유도 대류로 물이 순환하기 때문이다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트

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형광펜 표시한 건 왜 복사가 안 될까?

학교에서 돌아 온 태연, 책가방을 휙 집어던지며 분노의 3단 고음을 질러댄다. 눈은 이미 이글아이다.

“악!!! 내 기필코 복수하고 말테다. 말자, 이 나쁜 계집애! 세상에서 가장 사악한 짐승!!”

“태연아, 친구들이랑 사이좋게 좀 지내라고 했더니 또 싸운 거야?”

“싸운 게 아니라 배신에 몸을 떠는 거라고요. 오늘 단원평가를 봤는데 말자 그 나쁜 계집애 때문에 50점밖에 못 맞았어요. 틀림없이 책에서 중요한 부분을 형광펜으로 다 표시한 다음에 복사해 준대놓고선 아무 표시도 안 된 복사지를 줬다고요. 그 복사지를 얻기 위해 말자한테 손바닥이 닳도록 아부한 거랑, 그동안 갖다 바친 수십 개의 사탕이 억울해서 못 견디겠어요! 내가 아무리 위협적인 경쟁상대라 해도 이런 저질 플레이는 아닌 거죠. 안 그래요, 아빠?”

“음…, 정확히 두 가지 점에서 심각한 의문을 제시하고 싶구나. 네가 3년 째 전교 1등인 말자의 경쟁상대라는 언빌리버블한 부분과 형광펜으로 표시한 내용이 흑백 프린터로 복사되기를 바란다는 어이없는 바람 말이야.”

“지금 무슨 말씀을 하시는 거예요~. 그럼 형광펜으로 쓴 글씨는 복사가 안 된다는 말씀이세요? 아빠까지 저 50점 맞았다고 무시하시는 거예요?”

“진짜야. 프린터와 형광펜의 원리를 알면 아주 간단한 얘기지. 프린터 유리 위에 원본종이를 놓고 복사버튼을 누르면 불빛이 윙~ 하면서 지나가는 거 봤지? 이때 종이의 흰 부분에 닿은 빛은 반사가 되지만 글자가 있는 검은 부분은 빛을 모두 흡수하기 때문에 반사가 되지 않아. 그럼 반사된 빛은 어디로 가느냐? 바로 (+)전하를 띠고 있는 쇠로 만든 원통(드럼)으로 가게 돼 있어. 그러면 빛을 받은 부분의 드럼은 (-)전하로 바뀌게 되지. 이때 프린터가 (-)전하를 띠고 있는 토너 가루를 뿌리면 드럼의 (-)전하인 부분, 즉 빛이 반사된 원본종이의 흰 부분에는 토너 가루가 붙지 않아. 반면 글씨가 빛을 흡수해 드럼에 아무런 빛도 반사되지 않았던 부분에는 토너 가루가 붙게 되지. 이 상태에서 섭씨 180도 정도의 고열을 가하면 토너 가루들은 종이에 영원히 달라붙게 된단다.”

“아, 그래서 인쇄한 종이가 뜨끈뜨끈한 거구나. 인쇄종이를 잡으면 언제나 뜨끈한 호빵이 먹고 싶어요. 쩝, 또 생각나네. 그런데 그거랑 형광펜이랑 무슨 상관이 있다는 거예요?”

“자, 그럼 이번에는 형광펜에 대해 설명해줄게. 형광(螢光, fluorescence)이란 형광물질이 빛의 자극에 의해서 발광하는 현상을 말한단다. 쉽게 말해서 빛에너지를 받은 물질이 새로운 형태의 빛을 다시 내뿜는 거지. 프린트를 처음 시작할 때 일단 원본 종이에 불빛부터 비춘다고 방금 얘기했지? 흰 부분은 빛을 반사하지만 글씨 부분은 빛을 흡수해 버린다고 말이야. 그런데 형광펜으로 쓴 부분은 빛을 받아 새로운 형태의 빛을 방출하기 때문에 프린터는 이 부분을 그냥 흰 색으로 인식해 버린단다. 당연히 복사가 될 수 없겠지!”

아빠의 설명을 들은 태연은 급 우울해진다.

“그럼 나는 이제 어쩌라고요. 애들이 요점 체크해둔걸 복사해서 공부하지 않으면 또 50점을 맞을 테고, 공부 잘하는 애들은 몽땅 다 형광펜만 써 대고. 애들 형광펜을 모조리 없애버릴 수도 없는 노릇이잖아요.”

“음…, 형광펜 복사가 그렇게도 중요한 것이라면 흐릿하게나마 복사할 수 있는 방법이 있어. 바로 복사기의 민감도를 높이는 거지. 복사기에 있는 ‘진하게’ 버튼을 누르면 복사기가 흰색과 형광색이 빛을 방출할 때의 미묘한 흡수량 차이를 구분해서 흐릿한 회색으로 인쇄를 한단다. 또 형광펜 색에 따라 복사되는 정도가 달라. 가장 복사가 안 되는 것이 노란색 형광펜이고 파란색이나 분홍색 형광펜은 비교적 표시 나게 할 수 있거든. 그러니까 정말로 중요한 부분을 복사해야 한다면 형광펜 색깔을 잘 선택하는 것도 한 가지 방법이겠지.”

여기까지 듣던 태연은 갑자기 뭔가가 생각난 듯 공부방으로 들어가 열심히 숙제를 한다. 잠시 후 태연이 가지고 나온 건 온통 노란색 형광펜으로 쓴 사회과목 발표자료.

“내일 사회 시간에 제가 조사해 온 자료를 가지고 말자가 스토리를 만들어서 발표를 하기로 했거든요. 이걸 복사해서 갖다 주면 말자가 얼마나 당황해할지, 홍홍홍~ 벌써부터 신나요. 전 틀림없이 숙제를 해간 거니까 저한테 원망도 못 할거고요. 홍홍~.”

“아휴…, 어쩜 이럴 때만 그렇게 머리가 좋니. 제발 잔머리 그만 쓰고 이제부터는 스스로 공부 좀 하라고!!”

글 : 김희정 과학칼럼니스트

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영하로 떨어지는 기온은 우리를 움츠리게 하고 사람들은 난방기구 옆으로 모이게 마련이다. 기온이 저하되면 우리 몸이 열을 밖으로 발산하게 되어 신체는 도망가는 열을 지키거나 보충하기 위해 다른 열원을 찾아야 하기 때문이다. 요즘 일상생활에서 가장 흔히 사용하는 난방기구로 히터를 꼽을 수 있는데, 그 원리에 대해 아는 사람은 많지 않다. 우리가 무심코 지나쳤던 히터에는 어떤 원리와 종류가 있는지 한번 알아보도록 하자.

히터의 원리를 이해하기 위해서는 열의 이동에 대해 간단한 기본 지식이 필요하다. 열이 이동하는 방식은 크게 세 가지이다. 열전도, 대류, 복사가 그것이다. 열전도는 가열된 금속에서 흔히 볼 수 있다. 뜨거운 커피에 차가운 수저를 담그면 반대편 끝까지 달아오르는 것이 전도 현상의 예이다. 하지만 열전도 자체는 곧바로 난방에 이용하기에 적합하지 않다.

대류는 주로 기체나 액체에서 열이 이동하는 방식이다. 기체와 액체처럼 분자운동이 활발한 물질은 열을 받을 경우 운동이 더욱 거세지면서 부피가 팽창한다. 질량의 변화 없이 부피가 늘어나면 결국 단위부피당 질량이 줄어들면서 가벼워진다. 그리고 부력을 얻는다. 위로 올라간 기체 (또는 액체)는 상승하다가 열원으로부터 멀어지면서 뜨는 힘을 상실하고 아래로 떨어진다. 이 과정에서 얻은 열을 주변에 전달하는 현상이 대류이다. 대류는 전통적인 난방 방법이다. 한복판에 놓고 방 전체를 데우는 난로나, 금속관에 뜨거운 물 또는 증기를 통과시켜서 대류열을 만드는 이른바 스팀이 대류 현상을 이용하고 있다. 대류 현상은 실내 전체의 온도를 높이는 효과가 있는 반면 효과를 얻기까지 오랜 시간이 걸린다는 단점이 있다.

히터는 열전달의 면에서 볼 때 인류가 가장 오랫동안 열의 혜택을 받아왔던 태양과 기본적으로는 같다. 즉 열복사 현상을 이용한다. 절대 영도보다 온도가 높은 모든 물체는 외부로 전자기파를 발산한다. 이 전자기파를 받은 물체는 그 에너지의 일부를 얻는다. 이것이 복사이다. 앞서 언급한 난로도 대류 현상만을 이용하는 것은 아니다. 난로 가까이에 손을 대보면 아직 실내가 추워도 열을 느낄 수 있는데 이것 역시 열복사의 결과이다. 히터는 열복사의 효율을 최대한 높이기 위해 특별히 고안된 난방장치이다.

히터는 전자기파 중 적외선을 인공적으로 발생시켜 가열 대상에게 쏘아 보내는 장치라고 보면 된다. 가시광선을 분해해보면 빨간색에서 보라색까지 걸친 스펙트럼을 볼 수 있는데 빨간색에 가까울수록 파장이 길다. 적외선은 한자어의 뜻 그대로 빨강보다 더 파장이 긴 전자기파를 말한다. 가시광선의 영역을 벗어나므로 눈에 보이지는 않지만 열을 그만큼 잘 전달한다. 적외선 중에서 파장이 짧은 것을 근적외선, 긴 것을 원적외선으로 구분하고 있다. 전자기파는 파장이 길면 흡수가 잘 되는 성질이 있다. 따라서 적외선은 열전달 능력이 뛰어나며 이 원리를 히터에서 그대로 이용한다. 전기 히터의 뒷면에 반사판이 달려있는 것도 복사되는 적외선을 한 방향으로 집중시켜 난방 효율을 높이기 위해서이다.

시중에 판매되고 있는 히터들은 동일하게 전기를 에너지원으로 사용하면서도 종류가 다양하다. 이 중 할로겐램프 히터, 석영관 히터는 전기에너지를 받아 가열되면서 적외선을 발사하는 발열 방식의 종류에 따른 구분이다. 기본적으로 전열기구들은 특정 도체의 물성을 활용한다. 즉 이상적인 초전도체가 아니라면 전기회로상에서 도체는 저항을 가질 수밖에 없는데, 손실되는 전류는 곧 에너지의 형태로 변환된다. 빛을 강하게 발하는 물질은 조명기구에, 열의 비중이 높은 물질은 전열기에 사용하는 것이다. 난방이 목적인 히터의 경우 당연히 유입된 전기 에너지에 비해 더 강한 적외선을 내뿜는 물질을 사용한다. 하지만 효율과 동시에 내구성을 고려하지 않을 수 없으므로 그에 맞는 적절한 조치가 필요하다.

할로겐램프 히터는 필라멘트의 수명과 효율을 높이기 위해 전구 안에 할로겐 기체를 채운 램프를 이용한다. 석영관 히터는 석영관 안에 전열선을 통과시키는 형태이다. 석영관이란 무수규산의 순도를 높인 제품으로, 고온에서 내구성이 강하고 열팽창성이 작으며 적외선의 투과성이 높다. 일반적으로 할로겐램프 히터는 전원을 넣고 열이 나오기까지 걸리는 시간이 짧으며 전력 소모가 상대적으로 적은 편이다. 대신 초기 구입비용이 석영관 히터에 비해 높다. 석영관 히터는 가격이 약간 낮은 대신 전력 소모가 많은데, 어디까지나 기본적인 수준의 비교이므로 제품을 구입할 때는 특성을 꼼꼼히 살펴보는 것이 좋다.

그 외에 원적외선, 근적외선 히터라는 구분도 있다. 이런 특성을 강조하는 제품들의 경우 치료 기능까지 있다고 선전하는 경우가 많은데 단순히 ‘원적외선’이라는 단어 하나만으로 의료 효과가 확실하다고 믿는 것은 자중하는 편이 좋겠다. 물론 원적외선과 근적외선 사이에 상식적인 차이는 있다. 앞서 말한 바와 같이 전자기파는 일반적으로 파장이 길수록 침투력이 강하다. 따라서 원적외선은 물체의 표면뿐 아니라 내부까지 침투할 수 있다. 하지만 발열체의 온도는 근적외선이 높고, 따라서 더 많은 열을 전달한다. 그러나 전기제품이라는 것은 부분적인 개선에 따라 효율이 크게 차이 나므로 본인이 중점을 두는 히터의 용도를 염두에 두고 제품을 고르는 편이 좋다.

전기 히터는 빠른 난방 효과라는 장점이 있지만 구매 시 그만큼 고려해야 할 점도 많다. 히터가 실내 공기를 빠르게 건조시킨다는 점은 잘 알려졌으니 겨울철 건강과 직결되는 습도에 신경을 써야 할 것이다. 또한 모든 전열기구가 가지는 위험성, 즉 화재 예방도 잊으면 안 된다. 비정상적으로 과열될 경우의 대비책은 있는지, 히터가 넘어졌을 경우 어떤 차단장치가 돼 있는지 등은 반드시 따져봐야 할 요소이다. 근래의 제품들은 회전기능이나 송풍기능을 첨가하기도 하므로 편의성도 무시할 수는 없을 것이다.

차가운 겨울을 난방기구 없이 지내기는 어렵다. 소규모 인원이라면 역시 히터가 제격이다. 지혜롭게 고른 히터로 추위를 이기고 건강하게 겨울을 보내는 것은 어떨까.

글 : 김창규 과학칼럼니스트


ndsl링크 <출처 : 한국과학기술정보연구원 >

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