종이접기만으로 부메랑을 만든다!

  안녕하세요? 국가과학기술위원회 블로그 기자단 2기 이다호라입니다.

  "사랑은 돌아오는 거야!" 지난 2003년, 뜨거운 화제를 몰았던 드라마 "천국에 계단"에서 권상우가 부메랑을 던지고 다시 그것을 받았던 장면을 기억하시나요?

부메랑 @BruceTurnerhttp://www.flickr.com/photos/whiskeytango/347433361/

  던지면 다시 제자리로 돌아오는 부메랑, 이 ‘부메랑’이란 이름은 한 오스트레일리아 원주민 부족의 이름에서 유래했습니다. 이 원주민들은 활모양의 편평한 나무막대기로 된 부메랑을 사냥과 전쟁에서 사용하였습니다. 사실 이 사냥용 부메랑은 다시 돌아오지 않는답니다. 다시 되돌아온다면 던진 사람의 목숨까지 위협할 수 있겠죠?

  제자리로 돌아오는 부메랑은 사냥용에 비해 작고 가벼워서 보통 놀이용으로 쓰였습니다. 현재는 V자 모양의 부메랑뿐만 아니라 다양한 재료를 가지고 다양한 모양의 부메랑 제작이 가능합니다. 하지만, 종이 한 장만 가지고도 부메랑을 만들 수 있을까요? 그리고 부메랑이 다시 돌아올 수 있는 원리는 무엇일까요? 오늘 그 질문들에 대한 답을 풀어나가도록 하겠습니다. 
 

부메랑의 원리

  부메랑이 날아서 다시 돌아오는 데는 양력, 중력, 회전력, 공기저항의 4가지 요소가 중요합니다. 여기서 양력을 이해하려면, 먼저 공기가 ‘유체’라는 것을 이해해야 합니다. 우리는 물처럼 흐르는 물질을 유체라고 하는데요, 공기도 바람에 따라 이동하는 유체랍니다. 그런 유체 속에서 물체가 운동하는 방향에 수직으로 작용하는 힘이 양력입니다. 쉽게 말하면 유체에서 물체가 뜰 수 있도록 하는 힘이라고 할 수 있습니다.

비행기가 날 수 있는 이유도 양력을 이용했기 때문이랍니다. 공기 중에서 비행기를 띠워주는 양력은 공기의 밀도 차이에 의해서 생기게 됩니다. 공기 중에서 비행기가 이동하게 되면 공기와 부딪히게 되는데요, 상대적으로 굴곡이 있는 비행기의 위쪽에는 공기가 분산되고, 평평한 아래쪽에는 위쪽에 비해 상대적으로 공기가 균일하게 됩니다. 볼록한 날개 위쪽의 공기는 편평한 아래쪽의 공기와 똑같이 움직이기 위해 속도가 빨라지게 되고, 이때 날개 위쪽의 공기의 속도가 빨라지면 압력이 낮아지면서 비행기의 진행방향과 수직인 위쪽으로 양력이 나타나게 됩니다. 부메랑에서는 부메랑 자체의 회전력이 양력을 더욱 크게 만들어준답니다.

  여기서 양력과 반대방향으로 작용하고 있는 힘은 바로 중력입니다. 중력은 물체를 지구 중심방향으로 끌어당기는 힘으로 중력과 양력이 평형을 이루고 있기 때문에 비행기가 뜰 수 있는 것입니다. 마지막으로 공기저항은 공기 속을 운동하는 물체가 공기로부터 받는 저항으로, 부메랑의 운동을 방해하는 역할을 하게 됩니다. 이 네 가지 요소들이 조화롭게 균형을 이루면서 부메랑이 날아서 다시 돌아올 수 있도록 만들어줍니다. 그럼 이제 부메랑이 날 수 있게 도와주는 네 가지 요소들을 이해하셨나요?

다양한 모양의 부메랑 @electricnervehttp://www.flickr.com/photos/electricnerve/2203257946/

  앞의 네 가지 요소를 고려해서 제작한 부메랑은 대표적으로 A형(V형), 삼각형, 십자형 부메랑이 있습니다. A형 부메랑은 가장 기본적인 모양으로 가장 많이 사용되는 부메랑입니다. 날개가 두 개이기 때문에 공기의 저항이 적어서 멀리 날아갈 수 있게 됩니다. 하지만 날개가 많은 부메랑 보다는 던지는데 기술이 필요하답니다. 삼각형 부메랑은 날개가 세 개로, A형 부메랑보다 비행 거리가 짧습니다. 하지만 초보자들이 던져도 쉽게 되돌아 올 수 있습니다. 날개가 많을수록 비행거리는 좀 더 짧아지는데요, 십자형 부메랑은 세 가지 종류 중에 가장 비행거리가 짧으며 아주 쉽게 되돌아오기 때문에 좁은 공간에서도 날릴 수 있습니다.

부메랑은 어떻게 던져야할까요? @popofatticushttp://www.flickr.com/photos/barretthall/3161794874/

  하지만 부메랑은 그 모양뿐만 아니라 던지는 방법도 매우 중요합니다. 요령 있게 던지지 않으면 다시 돌아오지 않는답니다. 부메랑을 잡을 때도 볼록한 면이 자기 쪽으로 오게 하고, 엄지손가락 붙여서 잡아야합니다. 부메랑은 미세한 바람에도 영향을 받기 때문에, 바람을 정면으로 마주하여 오른손잡이는 몸을 오른쪽 45도 방향으로 서서 부메랑을 던져야 합니다. 왼손잡이는 왼쪽으로 45도 방향으로 서서 부메랑을 던져야 해요. 부메랑을 던지는 각도와 높이도 중요한데요, 어깨보다 10도 위에서 나무나 건물의 꼭대기를 목표로 하고 던지는 것이 좋습니다. 마지막으로 되돌아오는 부메랑을 잡을 때는 두 손바닥을 땅과 평행하게 놓은 뒤, 샌드위치처럼 포개서 잡으면 된답니다.

  부메랑은 나무, 플라스틱 등 다양한 재료로 제작합니다. 사람들은 흔히 부메랑이 두껍고 딱딱해야 된다고 생각하지만, 얇은 A4용지 한 장으로도 부메랑을 만들 수 있답니다. 그럼 지금부터 그 방법을 알아볼까요?

종이부메랑

  만드는 방법이 조금 복잡해서 유튜브에 올라온 동영상을 참고해주세요.   
  http://www.youtube.com/watch?v=_kprLtErg8U

  먼저 (1) A4용지 한 장을 준비하여 (2) 위와 같이 둘로 나눕니다. (3) 다음으로 길게 반을 접었다가 (4) 양쪽 끝을 중심점에 맞게 접어주세요. (5) 양쪽을 다 접어주시면 됩니다. (6) 이번에는 길게 반을 접어주세요.

  (7) 다음으로 양쪽 위를 세모나게 접고, (8) 다시 펼쳐서 처음에 접었던 오른쪽 면만 펼친 뒤, (9)처럼 모양을 잡아주세요. (10) 그 모양대로 접으시면 V자 모양이 나오고, (11) 나머지 한 면은 그 위로 살짝 접어 모양만 낸 뒤, (12) 다시 펼쳐주세요.

  (13) 오른쪽 날개의 안쪽에 접혀있던 면을 펼치고 (14) 모양을 잡아주어 (15) 왼쪽 면과 연결되도록 접어주세요. (16) 왼쪽 날개를 펼친 뒤 (17) 양쪽 끝을 세모나게 접어주세요. (18) 그다음 접었던 오른쪽 삼각형 부분을 모두 펼칩니다.

  (19) 삼각형으로 접혀진 부분을 다시 반대로 넣어서 (20)과 같이 접어줍니다. (21) 그러면 오른쪽 삼각형 부분에 틈이 생기는데 (22) 이 부분으로 왼쪽에서 접었던 삼각형을 집어넣어줍니다. (23) 마지막으로 다른 날개도 똑같이 19-22를 반복합니다. (24) 종이부메랑 완성!

종이부메랑 던지는 방법

  이제 다 만들었으니 던지는 법을 배워야겠죠? 먼저 (1) V자의 아래 부분을 엄지와 검지로 살짝 잡은 뒤, (2) 세 번째 손가락을 살짝 뒤 쪽에 대주세요. (3) 다음에 손목의 반동을 이용해 (4) 안쪽에서 바깥쪽을 향해 던져주세요.

  만들어보면 생각보다 종이 부메랑이 잘 날아간답니다. 어느 정도 익숙해지면 다시 받는 것도 식은 죽 먹기죠! 그럼 이제 직접 만들어서 날려볼 여러분의 차례입니다. 그럼 다음 기사에서 만나요!

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

고층건물의 필수품, 엘리베이터에 숨은 과학

  세계에서 가장 높은 건축물은 무엇일까요? 사실, 쉽게 대답할 수 있는 질문은 아닙니다. 높다는 의미가 해수면으로부터 건축물이 솟은 끝부분까지의 고도를 따지는 방법일 수 있고, 실제 건축물 자체의 길이를 따지는 방식일 수도 있기 때문이죠. 옥상의 안테나의 높이를 포함시켜야 할까요? 관람용으로만 건축된 타워나 탑은 어떻게 해야 하나요? 일각에서는 인간이 상주하는 건물만 포함해야 한다는 주장도 있습니다. 와이어에 의해 지탱되는 건물을 포함시켜야 하는지, 990.6m나 되지만 대부분의 몸체가 바다 속에 있는 멕시코만 석유가스 시추용 플랫폼은 고층 건출물에서 제외해야 합니까? 여러분의 생각은 어떠세요? 

  통상적으로 아랍에미리트의 부르즈칼리파 버즈두바이가 808m로 가장 높은 건물로 인정받는 가운데, 최근 634m에 이르는 도쿄스카이트리(TV전탑 송신탑)가 개장되어 다시 한 번 고층건물에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 사우디 왕가에서는 1,000m에 이르는 타워를 건설할 계획을 갖고 있다고 하니 앞으로 얼마나 높은 건물이 등장할지 놀랍기만 합니다.

634m로 꼭대기가 보이지 않을 정도로 높은 도쿄스카이트리 -2012년 5월 22일 개장일 현지 촬영

  세계 곳곳에서 초고층 건물이 등장하고 있는 가운데, 이에 빠질 수 없는 필수품이 바로 ‘엘리베이터’입니다. 지난 5월 22일 도쿄스카이트리 개방을 앞두고 비상시를 대비한 소방훈련을 실시했습니다. 13개나 되는 엘리베이터가 있었지만 꼭대기에서 지상까지 걸어서 내려온 한 소방대원은 ‘후들거리는 다리를 붙잡고 겨우 내려왔다’고 말할 정도였습니다. 엘리베이터의 발명은 고층건물의 건축에 획기적인 변화를 이끌어 냈습니다. 5층 이상 짓는 건축기술은 1800년대 초부터 있어왔지만 고층을 걸어서 올라 다닐 사람이 없어 생기지 않았기 때문입니다.
 
  엘리베이터의 가장 기본적인 장치인 도르래는 BC 273년경부터 등장했고, 나폴레옹은 자신의 왕궁에 계단 대신 수직으로 이동할 수 있는 장치를 사용했다고 합니다. 하지만 과거에 사용되던 엘리베이터는 로프가 끊어져 추락할 위험이 많아 대중화 되지 못했습니다. 그러다 1853년, 미국의 발명가인 엘리사 그레이브스 오티스(E.G.Otis)는 밧줄이 장력을 못이길 때 두 개의 철로 만든 톱니가 제어 역할을 할 수 있도록 하는 낙하방지장치를 발명하였고, 세계최초로 안전한 엘리베이터가 등장하게 되었습니다. 이후 수력이나 수압을 이용하던 형태에서 증기기관에 의한 구동방식으로 발전해 왔으며, 현대의 동력 발생 엘리베이터는 독일의 지멘스(1880년)가 처음 제작했습니다.

오티스가 발명한 엘리베이터 최초의 설계도면 /cc이미지: http://en.wikipedia.org/wiki/File:ElevatorPatentOtis1861.jpg

  우리 주변에서 쉽게 볼 수 있는 엘리베이터는 여러 과학의 원리가 숨어 있습니다. 회전력, 마찰력, 중력 등의 힘에 의해 움직이고, 이 힘을 전기로 생산하여 효율까지 높이고 있습니다. 엘리베이터가 스스로 발전기가 되는 단계까지 이른 것입니다.

  엘리베이터는 기중기와 비슷합니다. 인간은 무거운 물체를 운반하기에 편리한 바퀴를 발명했습니다. 평지에서 효율적인 바퀴는 높은 곳으로 물건을 들어 올리는 데는 그리 큰 도움이 되지 못했습니다. 그 해결책으로 물체의 운동방향을 바꿔 주면 좋겠다는 생각에 나온 것이 바로 ‘도르래’입니다. 바퀴를 높은 곳에 매달고, 여기에 줄을 연결해 무거운 물체에 연결해 당기면 훨씬 힘이 덜 든다는 사실을 알게 됐기 때문입니다. 이 도르래와 추를 이용한 것이 바로 기중기입니다. 이는 반대쪽에 무거운 평형추가 매달려 사람이 무거운 물건을 당길 때에 평형추가 내려가면서 훨씬 힘이 덜 들게 되는 원리입니다.

  3만개의 부품으로 이루어진 엘리베이터는 수십 미터에서 수백 미터를 오르내리는 교통수단이기 때문에 절대적으로 이용자의 안전이 담보되어야 합니다. 많은 사람들이 엘리베이터의 로프가 끊어지면 추락할지도 모른다는 막연한 공포심을 갖고 있는데, 오티스에 의해 개발된 엘리베이터에는 비상정지 장치와 조속기, 완충기, 제동기, 도어 인터록 등 100여개의 안전장치가 내장되어 있습니다. 

▲조속기(Governor)는 엘리베이터의 일정한 속도를 유지시켜 주는 장치로 엘리베이터 카의 속도가 기준속도의 1.3배를 초과하지 않는 범위 내에서 과속방지스위치를 작동시켜 전원을 강제로 차단하고 레일브레이크를 작동해 속도를 제어하는 중요한 안전장치입니다. 만일 이 과속방지스위치가 작동된 상태에서도 엘리베이터가 계속해 과속으로 하강하게 되면(정격속도의 1.4배 이내) 조속기 로프를 기계적으로 잡아주는 2차적인 비상정지장치가 작동하게 됩니다.

▲비상정지장치(Safety Device)는 로프가 끊어지거나 절단돼서 엘리베이터가 기준속도보다 빨라지게 되면 이를 감지해 엘리베이터를 강제로 정지시키는 장치입니다. 비상정지장치는 평상시에는 엘리베이터 레일을 따라 자연스럽게 움직이다가 일정속도 이상으로 작동하게 되면 레일을 꽉 붙잡아 속도를 제어하는 역할을 합니다.

▲제동기(Brake)는 엘리베이터 전동기의 회전을 자동적으로 제어하는 장치로, 과속 등 엘리베이터에 이상이 발생하면 공급전원을 차단하고, 브레이크 패드 등을 이용해 전동기를 강제로 멈추는 역할을 합니다.

▲도어 인터록장치(Door Interlock)는 엘리베이터 도어에 부착된 안전장치로 도어 잠금 장치와 도어스위치로 구성돼 있습니다. 엘리베이터는 이용자가 원하는 층에 정확하게 정차해야 하는데, 만일 기계적인 결함으로 엘리베이터가 자기 층에(±10mm이내) 정차하지 못할 경우 문이 열리지 못하도록 제어하는 장치를 말합니다.

▲문 닫힘 안전장치(Door Safety Device)는 엘리베이터 문이 닫히는 도중에 이용자가 출입하는 경우 문 끼임 사고나 문짝 충돌을 방지하기 위해 설치된 안전장치입니다. 일반적으로 센서 등 검출 장치로 작동되는데, 사람이 낄 경우 자동으로 문을 열게 됩니다. 만일 이 장치가 고장 나면 사람이 문에 끼어 다칠 수도 있습니다.

▲완충기(Buffer)는 엘리베이터가 이동하는 통로 바닥에 설치된 충격흡수 장치라고 생각하면 됩니다. 보통 저층 건물에는 스프링 형태로 만들어져 있고, 고층은 유압식 완충장치 형태로 설치돼 있습니다.


   이렇게 안정성이 확보된 엘리베이터는 전 세계적으로 크게 사용됩니다. 우리나라에 현대식 엘리베이터가 설치된 것은 지금으로부터 100여 년 전인 1910년 조선은행 건물입니다. 이후 1980년대 경제 호황에 힘입어 대규모 아파트와 고층건물이 많아지면서 엘리베이터도 급속히 증가해 현재는 43만대 규모로 세계 8위 수준이며, 증가율로도 중국, 인도에 이어 세계 3위(2010년 기준)입니다. 2009년에는 엘리베이터 전문 인력 양성을 위해 한국승강기대학교가 개교했고, 분당 1080미터를 이동할 수 있는 초고속형 엘리베이터도 국내기술로 개발했습니다.

  앞으로는 로프가 사라지고 벽면에 레일처럼 달린 선형 모터(liner motor)를 이용해 움직이거나 수직·수평으로 움직이는 신개념의 엘리베이터의 등장도 얼마 남지 않았습니다. 과학기술의 발전은 인간이 원하는 어느 곳이든 더 빨리, 더 높이, 더 편안하게, 더 안전하게 이동할 수 있도록 만들어 줄 것으로 보입니다.

※ 2층 버스처럼 위아래 두 개가 붙어 함께 움직이는 엘리베이터(더블덱 엘리베이터)는 해외의 초고층 빌딩에서는 사용되고 있다고 합니다. 국내에서는 '롯데 수퍼타워'와 용산국제업무지구의 랜드마크인 '트리플 원'에 설치될 예정이라고 하니 곧 볼 수 있겠죠?


 


 

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