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  1. 2012.10.24 [실험] 오르락~ 내리락~ 양초 시소 만들기
  2. 2010.08.30 모나리자의 미소는 과학이다
[실험] 오르락~ 내리락~ 양초 시소 만들기

아메리카 인디언들은 기름진 생선(candlefish, 은대구의 일종)을 뾰족한 막대에 끼운 채 불로 태웠다.
- 밥 셔먼, 『양초 제작의 역사』

정전이 되면 가장 먼저 찾게 되는 것, 생일 케이크에 빠지면 허전한 것, 값싸고 손쉽게 불을 밝힐 수 있는 것, 바로 양초다. 그 기원을 따라가다 보면 동물의 지방덩어리가 양초의 시초인 것을 알게 된다.

수 세기에 걸쳐 동물의 지방에서 밀랍, 파라핀 등으로 재료가 변했지만 ‘불을 밝히기 위한’ 양초의 역할은 변함이 없다. 불을 밝히는 용도 외에도 양초의 성질을 이용해 재미있는 실험을 할 수 있다.


[교과과정]
초등 3-1 우리 생활과 물질
초등 6-2 연소와 소화
중 1 물질의 세가지 상태

[학습주제]
액체와 고체의 성질 이해하기
겔 상태의 특징 알아보기

<실험 방법 및 원리>




<실험 동영상>


* 실험 참고사항 : 양초에 불을 켤 때는 다른 곳에 옮겨 붙지 않도록 주의하세요.
촛농이 많이 떨어지기 때문에 촛농이 떨어질 위치에 충분한 크기의 받침대를 놓아주세요.

양초 시소의 원리를 알기 위해서는 양초의 성질 이전에 시소의 원리를 먼저 알아야 한다. 시소는 일종의 긴 판자 중앙을 받침대로 고정하고 양 끝에 한 사람씩 앉아 위 아래로 오르내리는 놀이기구다. 시소는 타는 사람의 무게와 중앙 받침대와의 거리에 따라 오르내리는 정도가 달라진다. 받침대는 시소의 무게중심이 되는데, 이를 기준으로 무게가 가벼울수록 위로 올라가고 무거울수록 아래로 내려가게 된다. 무게가 같을 경우, 무게중심과의 거리가 가까울수록 위로 올라가고, 무게중심과의 거리가 멀수록 아래로 내려간다.

빨대로 만든 시소 양 끝에 양초의 심지를 향하도록 고정한 후 심지에 불을 붙이면 오르락내리락 하는 모습을 관찰할 수 있다. 양초 두 개의 무게는 동일하고, 무게중심과의 거리도 같은데 어떻게 빨대의 평형이 깨져버린 것일까.

오늘날 양초의 주재료는 석유정제 과정에서 얻는 파라핀이다. 양초 심지에 불을 붙이면 심지가 타들어가며 양초의 길이도 점점 짧아지며 촛농이 떨어진다. 촛농은 불꽃 근처의 파라핀이 녹으면서 액체가 돼 바닥으로 떨어진 것이다. 떨어진 촛농의 무게만큼 가벼워진 양초로 인해 시소의 평형이 깨지며 상하운동이 시작된다.

양 끝에 위치한 양초는 불을 붙인 속도 등의 차이로 촛농이 떨어지는 속도가 조금씩 다른데, 이 때문에 서로 번갈아가며 시소 운동을 하게 된다. 상대적으로 아래쪽으로 내려간 양초는 불꽃과 더 많이 접하게 돼 녹는 속도가 빨라진다. 녹는 속도가 빨라지면서 촛농이 더 많이 떨어지게 되고, 무게는 더 가벼워져 다시 위로 올라간다.

파라핀은 탄소와 수소로 구성된 탄화수소 물질이다. 양초의 심지에 불을 붙이면 파라핀이 녹으면서 생긴 액체가 심지를 따라 끄트머리로 올라간 뒤 기체로 바뀐다. 이 기체가 타면서 빛과 열이 발생한다. 기체가 탄다는 것은 산소와 결합한다는 의미이다. 심지 끝에 생긴 기체는 산소와 결합하면서 다른 기체로 바뀌는데, 탄소와 수소가 각각 산소와 결합해 이산화탄소와 수증기가 된다. 촛불을 끈 뒤 나오는 흰색 연기는 바로 이산화탄소와 수증기가 섞인 것이다.

양초의 불꽃은 크게 세 부분으로 나뉜다. 가장 바깥쪽은 겉불꽃으로 산소 공급이 잘 이루어져 완전 연소가 일어난다. 불꽃의 온도는 섭씨 1,400도로 가장 높아 불꽃의 색깔을 거의 볼 수 없다. 가운데 부분은 속불꽃으로 산소 공급이 부족해 불완전 연소가 일어난다. 때문에 그을음이 생기는데, 이 그을음이 열을 받으면 밝게 빛난다. 불꽃 온도는 600도 정도로 겉불꽃보다 800도나 낮다. 가장 안쪽은 불꽃심으로 그을음이 가장 많이 생기는 부분이다. 온도는 300∼400도 정도로 가장 낮다.

글 : 유기현 과학칼럼니스트
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1년치 아르바이트 수입을 몽땅 털어서 떠난 유럽 배낭여행. 여기가 유럽이라고 생각하니 땀이 수돗물처럼 콸콸 쏟아져도, 뱃속에 들어간 게 팍팍한 바게트뿐이라도 발걸음이 가볍다. 오늘 정수와 기석은 파리의 루브르 박물관을 찾았다. 기석은 내심 박물관은 지겹다는 생각이었지만, 정수는 ‘루브르!’를 외치며 아침부터 설레는 눈치다.

“이 방은 대기실인가, 그림은 없고 사람만 가득 있네.”
기석이 두리번거리자, 정수가 기석의 팔을 잡아끌며 속삭인다.
“여긴 모나리자의 방이라고. 이 루브르에서도 혼자 방 하나를 차지하고 있는 대단한 그림이지.”
인파가 지나기를 기다리고 기다려 드디어 그림 가까이에 다가선 정수와 기석. 기석은 한숨이 먼저 나왔다.
“휴우~, 고작 이거 보려고 이렇게 기다렸다는 거야. 이렇게 작은 그림이었어? 책으로 보는 게 훨씬 낫겠다. 그리고 모나리자의 미소는 도대체 어디 있냐? 완전히 심드렁한 표정이네, 뭐가 신비롭다는 건지. 직접 보니 왜 다들 ‘모나리자, 모나리자’ 하는지 더 모르겠다.”
정수는 모나리자를 정면에 놓고 투덜거리는 기석을 끌어 그림이 옆에서 보이는 자리로 옮겼다.

“이 자리에서 다시 한번 봐. 미소를 짓고 있는지 아닌지 말이야.”
“앞에서 보나 옆에서 보나 뭔 차이가 있겠냐.”
마지못해 다시 그림을 본 기석은 깜짝 놀라고 말았다. 아니, 조금 전에는 분명히 무덤덤한 표정이었는데, 어찌된 일인지 그림 속 여자가 슬그머니 웃는 얼굴로 보인다.
“에헤, 이쪽에서 보니까 약간 웃는 것도 같긴 하네. 조명 때문인가?
정수가 싱긋 웃으며 말한다.
“이게 바로 우리 같은 물리학도들이 모나리자를 직접 봐야 하는 이유지. 너도 이제부터라도 미술에 관심을 좀 가지렴.”
기석은 정수의 말이 아리송하기만 하다.

다빈치는 르네상스 시대의 화가로 널리 알려져 있지만 실상 그의 본업은 과학자에 가까웠다. 그러니 다빈치의 미술 작품이 과학자들의 연구대상으로 자주 오르내리는 것도 어쩌면 당연한 일이다. 과학자들은 다빈치의 작품 중에서도 특히 모나리자에 담긴 비밀을 풀기 위해 고군분투해왔다.

모나리자의 실제 모델은 누구인가? 혹시 다빈치 자신은 아닌가? 모나리자는 미완성인가? 모나리자는 웃고 있는 것인가 아닌가? 미소처럼 보이는 것은 무엇 때문인가? 뿌옇게 보이는 스푸마토 기법은 어떻게 그려진 것인가? 이처럼 모나리자에 대한 궁금증은 셀 수 없이 많다. 모나리자의 비밀은 근래 들어 과학의 힘으로 상당수 그 베일이 벗겨지고 있다.

애초에 모나리자는 과학적 연구의 결과물이기도 하다. 다빈치는 해부학 연구에 매진했으며, 특히 눈을 이해하기 위해 힘썼다. 다빈치는 안구를 정교하게 해부하기 위해 삶은 달걀에서 형성되는 글루타민산염으로 안구를 고정시키는 기술을 개발하기도 했다. 오늘날에도 다빈치의 방식과 유사하게 안구 해부에 앞서서 파라핀 같은 응고물로 안구를 고정시키는 방법이 사용되고 있다.

눈의 해부학적인 구조를 파악하는 것과 더불어 빛의 성질을 파악하는 일에도 힘썼다. 본다는 것은 눈, 즉 생물학적인 부분과 빛이라는 광학이 결합되는 일이기 때문이다. 다빈치는 원근법의 원리를 연구했고, 명암의 미묘한 차이와 빛의 분산을 이해하기 위해 다면체의 각 면에 내리쬐는 빛을 관찰하고 기록을 남겼다. 이 관찰과 연구의 결과물 중 하나가 모나리자로 대표되는 다빈치의 초상화인 것이다.

앞서 기석이 말한 것처럼 어떨 때 모나리자는 웃기는커녕 무섭게 느껴질 정도로 무표정해 보인다. 하지만 다시 보면 웃는 듯도 보인다. 모나리자는 정말 웃고 있는 것인가? 우리는 무엇을 보고 모나리자가 웃고 있다고 느끼는 것인가?

미국 하버드 의대의 신경과학자 마가렛 리빙스톤은 2000년 모나리자의 미소는 주변에서 볼 때가 정중앙에서보다 미소가 선명하게 보인다는 연구결과를 밝혔다. 2005년에는 망막에서 대뇌피질의 후두엽에 있는 시각령까지 이르는 경로에 무작위로 끼어드는 노이즈가 미소의 발견 여부를 결정한다는 연구결과도 나왔다.

최근 스페인의 신경과학자 루이스 마르티네즈 오테로와 디에고 알론소 파블로의 연구에 의하면 그림의 크기와 명도, 위치 등 시각 경로의 조건에 따라 미소가 보이거나 보이지 않게 된다. 이는 눈이 복합적인 신호를 뇌에 보내기 때문이다. 망막의 세포들은 사물의 크기, 명도, 위치 정보를 코드화해 각각 다르게 분류된 정보를 뇌에 전달한다. 이 때문에 조건의 변화에 따라 미소를 보거나 볼 수 없는 경우가 생긴다는 것이다. 같은 연구에서 빛도 영향을 준다는 사실이 밝혀졌다. 흰 화면을 30초간 보여준 뒤 모나리자를 보여준 경우와, 검은 화면을 보여준 경우를 비교하자 흰 화면을 본 쪽이 미소를 더 잘 포착했다.

모나리자는 그림의 왼쪽 입술은 일자로 다물고 있는데 반해 오른쪽 입술은 입 꼬리가 살짝 올라가 웃는 입 모양을 하고 있다. 한성대 미디어디자인학부 지상현 교수에 의하면 보통 오른손잡이들은 우뇌를 이용해 왼쪽 얼굴을 중심으로 전체 표정을 인식하기 때문에 모나리자는 무표정한 듯하면서 순간적으로 웃는 표정으로 보이게 된다. 만일 모나리자의 그림을 합성해 좌우를 바꾸거나, 좌우 모두를 웃는 쪽, 무표정한 쪽으로 합성해 새로운 이미지를 만들면 어떨까? 좌우 입술 모양을 바꿔 왼쪽 입술의 입 꼬리가 올라가도록 만들 경우 웃는 표정이 더 우세해지지만 신비감은 떨어지게 된다고 한다.

모나리자 미소의 비밀은 절묘하게 배치된 입술 모양에만 있지 않다. 다빈치가 사용한 안개처럼 뿌옇게 보이는 스푸마토 기법은 그림의 윤곽선을 희미하게 만든다. 최근 프랑스박물관연구복원센터와 그르노블 유럽가속방사광설비 학자들이 X선 형광분광기를 통해 모나리자를 분석한 결과 스푸마토 기법, 즉 안개와 같이 흐릿한 느낌을 표현하기 위해 다빈치는 여러 번의 덧칠을 했는데, 한 번 덧칠된 막의 두께는 머리카락의 절반 가량인 40마이크로미터 이하이며, 최대 30겹까지 칠했다고 한다.

정교하게 제작된 뿌연 윤곽선은 시신경에 혼란을 부른다. 우리 눈의 망막 뒤쪽 시신경에는 간상세포와 원추세포가 연결되어 있는데, 원추세포는 색깔과 정지한 사물을, 간상세포는 명암과 운동하는 물체를 인식한다. 서울대 물리천문학부 유재준 교수는 동물적 감각에 더 가까운 역할은 간상세포가 한다며, 다빈치가 윤곽선을 희마하게 표현하는 방식이 간상세포를 자극해 다양한 반응을 유도한다고 밝혔다.

모나리자는 어느 순간, 어떤 사람에게는 인자한 미소지만 동시에 섬뜩하고 무서운 느낌으로 다가가기도 한다. 과학은 그러한 느낌이 우연이 아니라 과학적인 근거를 가진 것임을 알려주고 있다. 그렇다면 다빈치는 이 모든 것을 계획하고 의도해 모나리자를 그렸을까? 모나리자에 숨겨진 비밀들이 밝혀질수록 레오나르도 다빈치의 천재성에 대한 감탄도 커져만 간다.

글 : 이소영 과학칼럼니스트
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