[물리학이야기]생활속 물리현상 - 자동문, 자기부상열차, 컬링, 당구 2부

자동문의 작동 원리

일단 정답부터 얘기하면 ‘광전효과’라는 것이 사용되었기 때문이다. 빛이 끊어지면 전류가 차단되어서 문이 열리는 것이다. 사람이나 차량이 통행할 때 자동으로 개폐되는 문이나 사람이 들어서면 저절로 켜지는 전등과 같은 장치는 천장이나 바닥에 미리 장치된 센서가 사람이나 차량의 접근을 감지해 신호를 보내면 제어 장치가 이를 받아 문을 작동하도록 돼있다. 여기서 센서는 여러 가지 다양한 원리를 이용해 사람이나 차량을 감지한다.

 

먼저 출입문 앞에 깔린 매트 아래에 얇고 넓은 모양의 스위치를 장치해 이를 밟으면 작동되도록 하는 방식이 있다. 이는 구조가 간단하지만, 지나치게 무거운 물체가 통과하면 스위치가 망가질 수 있다는 문제가 있다.

두번째로는 최근에 많이 사용되는 것으로 천장에 센서를 부착하는 방식이 있다. 이 방식은 가시 감지범위에 들어온 사람의 체온(파장 10μm정도의 원적외선)을 검출하는 방식과 적외선이나 초음파를 발사해 사람의 몸에 반사돼 들어오면 작동하는 방식, 광선을 발사해 이것이 무언가에 의해 가로막히면 이를 감지해 작동하는 방식 등으로 나뉜다.

세번째로는 땅 밑에 검지판이나 고리 모양의 전선을 5cm 정도의 얕은 깊이로 묻어 두고 그 위를 지나가는 물체에 자기장에 변화가 생기면 문이나 차단기가 열리도록 하는 것으로, 주로 자동차 주차장 등에서 많이 사용되고 있다.

자기부상열차 - 초전도체

자기 부상열차에 사용된 물리적 개념은 척력을 띄는 자성의 힘과 초전도체이다. 우선 자기 부상열차에 대한 내용을 알기위해 그 열차를 만들기 위해 적용된 주요 개념인 초전도체에 관해 알아보도록 해야 할 것이다.

초전도체란 임계 온도 이하에서 전기 저항이 0으로 되는 물체이다. 여기서 임계온도란 어떤 물체에서 초전도 현상이 보이는 시점의 온도이다. 초전도체는 옴의 법칙과 연관성이 있다. 옴의 법칙에 의하면 물체에 흐르는 전류의 세기는 전압과 저항에 의해 결정된다. 전압은 외부적인 원인이고 저항은 물체 자체의 내부적인 원인에 의한 것이다. 저항의 크기는 물체의 단면적, 길이와 같은 기하학적 요소와 물체를 이루는 원자나 분자의 종류, 원자의 배열 상태, 원자 내 전자들의 에너지 상태와 같은 물질 자체의 성질에 의해 결정된다. 따라서 물질의 전기적인 성질을 비교하기 위해서는 단면적이나 길이와 같은 기하학적인 요소들을 같게 놓고 비교해야 한다. 단면적과 길이를 1로 하고 측정한 저항을 비저항이라고 한다. 비저항은 물질의 종류에 따라 달라지는 물질의 고유한 성질 중의 하나이다.

 

온도가 올라가면 비저항이 작아지는 반도체와는 달리 도체의 비저항은 증가한다. 반대로 온도가 내려가면 비저항이 줄어드는데 어떤 온도 이하가 되면 비저항 값이 0이 되어 저항이 사라지는 경우도 있다. 이렇게 전기 저항이 0인 물체를 초전도체라고 하는 것이다. 초전도체는 또 전기저항이 0이 되면 많은 전류가 흐를 수 있게 되므로 실용화될 경우 에너지 손실이 없는 송전이 가능해지게 된다.

초전도체를 처음 발견한 사람은 네덜란드 라이덴 대학 물리학 교수 카멜린 온네스이다. 그는 헬륨가스를 액화하는데 성공한 이후, 끓는점 4.2K인 액체헬륨 제조장치를 이용, 수은의 전기저항을 측정하던 중 절대온도 4.2K에서 전기저항이 갑자기 없어지는 것을 발견했는데, 이 새로운 현상을 「초전도(Superconductivity)」라 이름 붙였다. 그 동안 초전도체에 대한 과학자들은 연구현황을 살펴보면 아칸소대학 헤르만교수가 발견한 초전도체에서 임계온도 125K를 나타낸바 있으며, 1993년 초 스위스에서 임계온도 133K, 1993년 말 프랑스에서 임계온도 250K의 초전도체 박막제작을 발표해서 관심을 모았었다.

초전도체의 응용은 많은 곳에 이용되는데 교통, 에너지, 전자공학, 의료 및 방위산업 등 미래 산업에 혁명적인 영향을 줄 것으로 과학자들은 예측하고 있다. 초전도체는 내부에 자기장이 침투할 수 없을 뿐 아니라 초전도체가 되기 전에 내부에 침투돼 있던 자기장도 밖으로 밀어내는 성질인 완전반자성(마이너스효과)도 지니고 있다. 이런 성질 때문에 초전도체는 자석 위에서 떠오르는 자기부상현상도 나타내는 것이다.

초전도자석은 MRI 라고 하는 핵자기공명장치, 입자가속기, 에너지저장장치, 자기부상열차 등에 응용되며, 또 전선을 초전도체로 만들 경우, 열로 손실되는 20% 정도 에너지를 막을 수 있어 손실 없는 송전이 가능해진다.

고온 초전도체에 관련된 과학자들의 상상력은 미래 우주정거장에 태양에너지를 비축해놓았다가 우주선에 연료대신 전자기를 이용, 발사시킨다고 까지 확대되고 있다. 이는 고온초전도체의 기술력이 미래사회에 엄청난 변화를 몰고 올 수 있다는 예감까지 갖게 하고 있다. 이제 자기 부상 열차가 뜨는 원리는 자석의 N극과 N극이 혹은 S극과 S극이 반발하는 것을 이용하는 것이다. 열차 바퀴에 N극을 선로에 N극을 달면 열차가 공중에 뜨게 되는 것이다. 보통 영구자석은 열차를 띄울 만큼 자력이 충분하지 않기 때문에 전자석을 사용한다. 전자석에 저항이 있는 전선을 이용하면 저항 때문에 충분히 강한 전류를 흘릴 수 없기 때문에 그리고 열에너지로 바뀌는 전기에너지를 계속 보충해야 하기 때문에 이를 해결하기 위하여 초전도체로 만든다.

열차가 가게 되는 것은 열차의 밑 부분이 N극이고 열차 아래의 선로도 N극이면 서로 반발하여 열차는 뜨게 된다. 그런데 그 바로 앞부분이 S극이면 열차의 N극과 서로 끌어당기게 되므로 열차가 앞으로 나가게 된다. 이 때 S극을 재빨리 N극으로 바꾸는 방식을 사용하면 열차는 계속 앞으로 나가게 되는 것이다.

컬링

2014 소치 올림픽에서 관심 받는 종목 중 하나가 컬링이었다. 스톤이 원 중앙에 가까울수록 우리는 마음속으로 조금만 더 조금만 더를 외치고 상대편 컬링을 치고 중앙에 놓이면 환호하기도 했다. 컬링은 20kg 가량 되는 둥글고 납작한 스톤(돌)을 빙판위에 밀어 표적인 원안에 어느 팀이 더 가깝게 보내느냐에 따라 승부가 갈리는 경기이다.

 

컬링에는 마찰계수라는 물리적 원리가 이용된다. 마찰계수란, 수직항력과 마찰력의 비례관계를 주는 수치 즉, 맞닿은 두 표면 사이의 마찰정도를 말한다. 컬링경기장의 얼음은 매끈하지 않는데, 물을 뿌리면 물이 급격하게 얼면서 빙판에 오돌토돌 돌기가 생기게 된다. 이를 페블이라고 한다.

컬링은 페블과 같은 빙판 위의 미세한 얼음 조작들을 제거해 스톤이 지나가는 길을 평탄하게 만든다. 길을 평탄하게 만들기 위해 빗자루 모양의 브룸으로 얼음을 문지르는 스위핑을 한다. 단순히 페블만 제거한다고 해서 마찰계수에 변화를 줄 수 없으며 스위핑을 하는 또 다른 이유는 빙판의 온도를 높이기 위함이다. 

실험에 따르면 스위핑을 했을 때와 안했을 때의 온도 차가 상당히 큰 것으로 밝혀졌는데, 스위핑으로 인해 빙판 온도가 높아지면 얼음의 마찰계수에 변화가 생기면 스톤의 이동거리와 속도에 변화를 줄 수 있다. 빙판을 문지르면 표면에 솟은 얼음 돌기가 녹아 수막이 만들어 지고 얼음이 매끈해 지면서 마찰력이 줄어들어 스톤이 더 잘 미끄러지기 때문이다.

 

스위핑은 속도 뿐만 아니라 방향에도 영향을 준다. 컬링 경기를 보면 상대편이 의도적으로 과녁 앞에 스톤을 세워 우리 편 스톤의 진로를 방해하는 경우가 있다. 과녁 안의 싸움이라면 스톤끼리 부딪히는 것이 상관없지만, 진로 상에 상대팀의 스톤이 놓여있으면 원하는 곳에 우리 편 스톤을 넣을 수가 없으므로 이럴 때 스톤에 커브를 구사한다. 투구자가 커브에 필요한 방향과 회전수를 결정하여 스톤을 던지면 스위핑을 수행하는 선수들이 스톤을 따라가면서 스톤이 커브를 그릴 수 있도록 유도한다.

이때 지나갈 얼음만 좌우를 문지르는 정도를 다르게 하면 스톤에 가해지는 마찰력이 달라지기 때문에 스톤의 회전속도와 방향을 조절 할 수 있다. 우리가 경기를 TV화면으로 볼 때는 스톤을 직선으로 밀어 보내는 것 같지만 실제로는 스톤에 마찰계를 적용해 커브를 그리며 들어가게 하는 것이라 한다. 스톤을 원 중심에 가깝게 보내기 위해 회전시켜 미는데, 처음에는 미는 힘이 강해서 곧바로 나아가지만, 미는 힘이 떨어질 때 회전방향쪽 마찰력이 바깥쪽보다 커서 회전방향으로 휘게 된다.

 

내가 보기에는 그냥 둥그런 돌을 밀고 밀어내는 것처럼 보였는데, 이렇게 복잡한 원리로 경기하는 종목인지 몰랐다. 마찰력뿐만 아니라 다른 물리적 요인이 있겠지만 마찰력이 있다는 것만 알아도 나에게 물리적 지식을 쌓을 수 있는 좋은 기회였고, 컬링에 대해 좀더 이해할수 있게 되었다. 또 다른 스포츠의 원리에대해 궁금증을 품게된 계기가 되었다.

당구

1. 당구

당구는 남녀노소 모두 함께 어울려 즐거운 시간을 보내기 즐거운 놀이입니다. 당구의 기원은 역사적으로 오래되어 B.C 400년경에 그리스에서 옥외 스포츠로서 당구의 원형이 실시되었다고 합니다. 현대식 당구의 기원은 영국 기원설과 프랑스 기원설이 있습니다.

당구에는 여러 가지 종목이 있는데 크게 나누어보면 캐럼 게임(4구·보크라인·스리쿠션 등)과 포켓 게임(로테이션·에이트볼·나인볼·14-1 라크 등)으로 나눌 수 있습니다. 당구의 게임 방법은 당구대 위에서 적색·백색 공을 큐로 쳐서 각자의 점수를 겨루는 것 입니다.

 

2. 당구와 뉴턴의 법칙

당구에서는 뉴턴의 3가지 법칙을 모두 찾아 볼 수 있습니다. 그 중 저희는 뉴턴의 제 3법칙이 당구에서 어떻게 작용하는지 알아보았습니다.

뉴턴의 제 3법칙은 작용-반작용의 법칙입니다. 어떠한 물체가 다른 물체에 힘을 가하면 그 물체도 힘을 받은 물체로부터 반작용을 가한다는 것 입니다. 이 2개의 힘의 크기는 같고 방향은 반대입니다. 당구에서 굴러오는 공이 멈추어 있는 다른 한 공을 정면으로 치면 처음 공은 멈추고 부딪히는 공이 움직이는데 이 부분에서 작용-반작용의 법칙을 볼 수 있습니다.

 

3. 당구와 탄성의 법칙

당구는 기본적으로 탄성의 법칙을 이용한다. 쿠션의 재질은 일반 고무와는 달리 탄성력이 아주 강한 고탄성 고무이다. 때문에 반발력 또한 아주 예민하고 강력하다. 약하게 치면 약하게 강하게 치면 강하게 반발한다. 큐볼이 충돌하면 쿠션은 그 충격량 만큼의 에너지를 저장하며 저장된 에너지는 원래의 형태로 되돌아 가고자하는 힘으로 작용한다. 이를 탄성 에너지 라고 한다. 

큐볼은 쿠션과의 최초충돌 순간 100의 에너지를 모두 가지고 충돌한다. 쿠션의 탄성계수는 당구공 보다 훨씬 작기 때문에 충돌 순간 큐볼의 강력한 충돌에너지에 밀려 압축된다. 충돌에너지가 크면 클수록 쿠션은 더욱 압축되며 더 많은 에너지를 흡수 한다. 반대로 큐볼은 쿠션을 압박할수록 자신의 에너지를 빼앗기게 되는데 어느 시점에서 큐볼의 에너지와 쿠션에 축적된 에너지의 크기는 역전된다. 마침내 쿠션에 축적된 에너지가 탄성에너지로 전환되며 큐볼을 강력하게 튕겨낸다.

 

4. 당구의 입사각과 반사각

입사각이란? 어떤 매질 속을 전진하는 파(波)가 다른 매질과의 경계면에 입사할 때 그 진행 방향과 경계 방면의 법선(法線)이 이루는 각을 입사각이라 한다.

반사각이란? 매질 속을 진행하는 파가 다른 매질과의 경계면에 입사하여 반사가 생길 때, 반사 파의 진행 방향과 그 경계 면의 법선이 이루는 각을 말한다.

말 그대로 당구는 입사각과 반사각을 이용 하는 스포츠이다. 당구공이 쿠션에 부딪히는 각도에 따라 튕겨져 나오는 각도가 다릅니다. 그걸 계산을 해서 당구를 치는 것입니다.

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