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(디모데후서 3장 16절)

  • 교통수단 관련 과학 상식 -- 철도와 항공을 중심으로조회수 : 5477
    • 작성자 : 김용묵
    • 작성일 : 2011년 10월 25일 14시 58분 31초
  • -- 원하건대 너희는 나의 어리석은 것을 조금 용납하라. 내가 철도를 대신하여 아직도 할 말이 있음을 그대에게 보이겠노라. (고후 11:1, 욥 36:2)
     
    내가 철도를 한 5년만 더 일찍 알았으면 학창 시절에 지리와 물리 공부를 훨씬 더 열심히 했을 것이고, 지금의 국어 정보학 대신 아예 그쪽으로 진로를 선택했지 싶다. 하지만, 그 경우 <날개셋> 한글 입력기가 태어나진 못했을 것이고 본인의 인생과 우리나라의 역사는 완전히 다른 방향으로 흘러갔을 것이다.
     
    예수님의 복음이야 인간이 만든 다른 종교와는 레벨이 근본적으로 다른 절대적인 진리이니까 차치하고,
    세상 사람들이 말하는 관점에서 나의 종교는 철도이다. 그것도 은사주의 성향이 굉장히 강한 종교이다.
    나의 종교는 죄, 심판, 지옥 같은 부정적인 이념을 논하지 않는다. 서울에서 부산까지 가는 교통수단이 철도밖에 없다는 과격하고 극단적인 주장을 하지 않으며, 반대로 버스와 철도가 힘을 합쳐야 한다는 에큐메니컬 운동을 지지한다. 이 얼마나 건전하고 좋은 종교인가?
     
    잘못된 은사주의 집회에 가서 '날랄랄따따따' 방언을 하러 애쓰고 사기극인 병고침 받느라 노심초사하지 말라.
    진짜 은사주의가 뭔지 몰라서 저런 데에 빠진다.
    철도 성령을 받으면 영어와 일본어 열차 안내방송 방언이 터진다.
    철도 성령을 받으면 국토 사랑 정신이 생기고, 우리나라 역사와 지리를 보는 눈이 바뀐다. 전철 노선도와 간선 철도, 그리고 우리나라 주요 고속도로와 국도 노선까지 저절로 달달 외우게 된다.
    우리 애가 철도에 미치더니 사회와 과학, 그리고 예체능 중엔 음악 점수가 급상승했다는 얘기가 나올 것이다.
     
    마치 예수 그리스도께서 그저 온 인류의 죄를 사하기 위해 죽으신 게 아니라 정말 '나의 죄'로 인해 죽으신 것이라는 인식이 생기는 것과 같은 맥락으로,
    철도 성령을 받으면 우리나라의 근현대사를 풍미한 철도 차량과 노선, 역사 하나하나가 그야말로 나의 개인적인 감정과 애증을 담고 표현하는 대상이 될 것이다.
     
    난 이따금씩 식사 전 기도는 빼먹어도, 열차 타기 전에는 “이 땅에 이런 철도와 새마을호 같은 열차를 허락해 주신 하나님의 은혜”에 대한 감사 기도 드리는 게 습관이 됐다.
    이 정도면, 킹 제임스 성경이 세상을 바꿔 놓은 책이라면, Looking for you라는 음악은 한 사람의 인생을 송두리째 바꿔 놓은 음악이라 불리기에 손색이 없을 것이다.
     
    자, 지금까지 한 얘기는 고차원적인 반어법과 역설이 섞여 있으니 알아서 분별해서 받아들이시고..;;
    어쨌든 이 철도 덕분에 본인은 철도 말고 주변의 교통수단에 대한 관심도 집요하게 늘었다.
    '철도'와 비교했을 때 기계 메커니즘부터 시작해 엔진 소리와 승차감에 이르기까지, 공통점과 차이점이 무엇인지 분석하기 위해서이다.
    이 글에서는 특별히 중장거리 교통수단으로서 철도와 비교되곤 하는 비행기에 대해서 살펴보겠다.
     
    본인은, 달리는 자전거가 쓰러지지 않는 이유에 대해 묻는다면 바퀴에 작용하는 원심력과 관성 등으로 손쉽게 설명할 수 있으며 느낌으로 완전히 이해도 한다.
    쇠로 만들어진 집채 만한 선박이 물에 뜰 수 있는 이유 역시 부력으로 설명 가능하며 본인은 그 원리를 완전히 이해하고 있다. 그건 어디서나 예상과 측정과 재연이 가능한 과학일 뿐, 물 위를 걸은 예수님의 기적(마 14:25-27) 같은 현상은 절대로 아니다.
     
    그러나 공기보다 무거운 비행기가 어떻게 하늘에 뜨는지는... 머리로 공식은 알고 있으나, 그 자연 현상을 100% 직관적으로 이해는 못 하겠다. 어렵다. 하긴, 이건 18~19세기까지만 해도 저명한 물리학자들조차도 가능하다고 믿지 않았던 것이다. 비행기의 발명은 참으로 인류의 어마어마한 업적이 아닐 수 없다.
     
    A4 용지를 한 장 준비해서 직사각형의 네 변 중 짧은(21cm짜리) 변을 이루는 두 꼭짓점을 손으로 잡고 입가로 가져간다. 잡고 있지 않은 맞은편 두 꼭짓점은 아래로 축 늘어질 것이다.
    이 상태로 종이의 윗부분(아랫부분 말고)을 힘껏 훅~ 불어서 바람을 만들면...;; 놀랍게도 늘어졌던 종이가 벌떡 위로 펴질 뿐만 아니라 더욱 위로 올라가려 하면서 펄럭거리기까지 할 것이다.
     
    종이의 아랫부분을 훅 불면, 아래로 쳐져 있던 종이가 바람을 직접 받아서 위로 펴지는 게 이해가 되겠다만, 종이가 닿지 않는 윗부분에 바람이 부는데 왜 아래의 종이가 붕 뜨게 될까??
    바로 이것이 오늘날 고정익 항공기가 하늘로 뜨는 이론적 배경이라고 한다. 부력(buoyancy)을 설명하는 게 아르키메데스의 원리라면, 양력(lift)을 설명하는 건 베르누이의 원리이다.
     
    호스에서 시간당 같은 양의 물이 흘러나오는데 호스 끝부분을 눌러 좁히면 물이 더 빠르고 세차게 나오는 것,
    빠르게 통과하는 열차에 너무 가까이 있으면 곁의 사람까지 열차 쪽으로 빨려 들어가서 인명 사고가 나는 것과 정확히 같은 이치이다.
     
    비행기의 날개는 폼으로 있는 게 아니라 주변 공기의 흐름을 교묘하게 바꿔 압력차를 만듦으로써, 아까 저 종이와 같은 양력을 만들어서 비행기를 띄우기 위해 존재한다. 날개 표면이 이물질로 인해 조금만 울퉁불퉁해지기만 해도, 생성되는 양력이 크게 떨어지므로 주의해야 한다. 잘 이해는 안 되지만, 뭔가.. 냉장고와 에어컨의 동작 원리만큼이나 신기하다.
     
    그런데 공기의 흐름부터 만들어야 이로부터 양력이고 자시고가 생길 것이므로, 이를 위해서는 비행기 자체가 무진장 빠른 속도로 앞으로 나아가야 한다. 이것이 바로 비행기의 엔진이 하는 일이다. 비행기의 엔진은 공기를 뒤로 뿜음으로써 추력을 만들지, 자동차의 엔진처럼 피스톤을 회전시켜 바퀴를 굴리는 방식은 아니다.
     
    이 메커니즘 때문에 고정익 항공기는 이륙을 위해 긴 활주로가 필요하며, 반대로 사뿐히 내려앉기 위해서도 활주로가 필요하다. 자동차의 고급 옵션 중 하나인 터보차저(turbocharger)라든가 ABS 브레이크는 원래는 이런 항공기에서 쓰이던 기술이 자동차에도 덩달아 도입된 걸로 잘 알려져 있다.
     
    비행기가 이륙할 때는 주변의 컨테이너나 소형 승용차마저 팬에 빨려들어갈 정도로 어마어마한 괴력으로 주변 공기를 빨아들인다. 그래서 비행기가 이륙할 때는 ‘웽~’하는 엔진 내지 팬 소리보다도 ‘쿠르르릉!’하는 박진감 넘치는 바람 가르는 소리가 더 크게 들리는 것이다. 군사 시설 중에서도 비행장만은 그 특성상 지하화해서 덮을 수 없고, 규모도 워낙 크다 보니, 위성 사진으로 노출되는 게 불가피하다.
     
    그럼, 고정익 항공기 말고 다른 비행체는 어떨까?
     
    1. 헬리콥터
     
    가벼운 바람개비를 빠르게 돌려 놓고 손에서 떼면, 이것도 잠시나마 하늘에 살짝 떴다가 떨어지는 걸 알 수 있다. 고정익 항공기와는 근본적으로 다른 발상으로 만들어진 이런 부류의 회전익 항공기는 비록 수송력과 경제성은 크게 떨어지지만, 한 방향으로 지속적으로 초고속 이동을 해야만 양력이 유지된다는 한계에 매여 있지 않다. 그래서 긴 활주로 없이도 손쉽게 이· 착륙을 할 수 있으며, 공중에서 3차원 여섯 방향으로 자유롭게 이동하고 공중에서 정지해 있을 수도 있다.
     
    헬리콥터의 로터는 개념상 날개이지 프로펠러가 아니다. 회전익 항공기라는 개념은 수백 년 전에 레오나르도 다 빈치도 상상을 했을 정도이지만, 이것이 실제로 만들어지기 위해서는 로터를 그 정도로 빠르게 회전시킬 수 있는 가벼우면서도 출력이 굉장히 좋은 고성능 엔진이 먼저 발명되어야만 했다.
     
    2. 비행선
     
    물에 적용되는 배, 아니 어찌 보면 잠수함의 원리를 공기에다가 접목-_-한 것이다. 비행체의 밀도가 공기보다도 가벼워지도록 어마어마하게 큰 부피의 수소나 헬륨을 적재한다. 고도 조절은 잠수함이 심도를 조절하는 것과 비슷한 방법으로 하며, 엔진은 방향과 속도 조절용으로만 쓴다.
     
    비행선은 매우 저렴한 동력비로 하늘에 조용하고 우아하게 뜰 수가 있고 심지어 엔진이 꺼져도 곧바로 추락하지는 않으나..... 역시 수송력이 열악하고 주행 속도가 매우 느리며(빨라 봤자 100~150km/h대. 자동차급밖에 안 됨), 비행 고도도 오늘날의 항공기보다 훨씬 낮은 데다가 덩치까지 엄청 크다 보니 보안에도 매우 취약한 게 흠이다.
     
     
    비행선은 양력이 아니라 부력으로 뜨기 때문에 날개는 없다.
    그런데, 공기보다 밀도를 낮추기 위해 비행선이 얼마나 덩치가 커야 했냐 하면.. 위의 그림과 같은 정도이다. 우주에서 가장 가벼운 원소인 수소를 집어넣었는데도! (그림은 과거 독일의 수소 비행선 힌덴부르크 호, 보잉 747, 그리고 여객선 타이타닉 호) 그래 봤자 저 비행선의 승객 정원은 초음속 여객기 콩코드와 비슷한 겨우 100여 명 안팎으로, 무려 450명 가까이나 탈 수 있는 747의 1/4 수준도 안 됐다.
     
    3. 로켓
     
    다른 항공기들은 하늘로 떠서 다른 지점으로 이동하는 게 목적인 반면, 얘는 수단과 방법을 가리지 않고 오로지 하늘 위로 최대한 높이 뜨는 것 자체만이 목적이다. 유체고 양력이고 자시고 할 것 없이 오로지 작용· 반작용의 법칙만을 이용해서 나아가므로, 날개도 필요 없고 오히려 유체의 저항이 없는 진공이 유리할 것이다.
    연료 소모가 매우 심하고 유인 로켓의 승무원은 발사 직후에 어마어마한 압력에 짓눌려야 하지만, 지구의 육중한 중력 가속도를 뚫고 수백 km 이상의 고도로 우주로 나가기 위해서는 이것만이 현실적으로 유일한 방법이다.
     
    지구 중력의 탈출 속도는 초속 11.2km가량 된다. 지표면에서 이 정도 속도로 공을 던지면 지구로 되돌아오지 않을 경지에 이른다는 뜻. 하지만 이 속도는 음속의 무려 40배에 가까울 뿐만 아니라, 공기와의 저항과 마찰, 그리고 엔진 기술의 한계 때문에 지표면에서 결코 낼 수 없는 속도이다. 성층권에서 겨우 마하 2.x 정도로 비행한 콩코드만 해도 소닉 붐 같은 충격파에, 공기 마찰 때문에 열받아서 수백 도로 벌겋게 달아오른 기체의 유지 보수 난이도가 장난이 아니었다.
    로켓은 그 탈출 속도보다는 당연히 훨씬 느리게 뜬다. 하지만 발사 후에도 연료 배기 가스를 뿜어서 동력을 지속적으로 공급하기 때문에 그 밑천으로 지구 대기권을 빠져나가는 것이다.
     
    4. 끝으로, 새들
     
    비행기를 연구하고 설계한 사람들이 새의 날갯짓을 매우 세밀히 관찰하고 벤치마킹 했다는 건 잘 알려진 사실이다. “... 공중의 날짐승들에게 물어보라. 그것들이 네게 일러 주리라.” (욥 12:7b)
    새들은 인간이 만든 비행기처럼 주변 공기를 다 빨아들이지도 않으며, 헬리콥터처럼 날개에 이물질이 닿는다고 해서 바로 박살이 나지도 않는다. 항공계의 영원한 골칫거리인 조류 충돌(bird strike)이나 연료 폭발 같은 건 더욱 없다. 새의 놀라운 비행 원리에 대해, 이런 거야말로 진화의 산물로 점진적으로는 결코 만들어질 수 없으며 지적 설계와 창조의 증거라고 연구하고 주장하는 분들이 있는데, 응당 일리가 있는 말이다. 사람이 만든 날개와 하나님이 만든 날개의 차이이다.
     
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    증기 기관은 아직 효율이 낮고 성능에 비해 너무 크고 무거웠기 때문에, 자동차나 배는 굴려도 비행기를 띄울 수는 없었다.
    터보 프롭이든 터보 팬이든 램 제트든, 비행기의 엔진은 내연 기관의 원리가 확립되면서 발명될 수 있었다.
     
    비행기가 쓰는 항공유는 휘발유와 등유 중에서 등유에 가까운 정도의 연료이다. 비행기의 엔진은 공기라는 가벼운 유체의 흐름을 교란하는 게 목적이니 터빈에 의한 빠른 회전력이 필요할 뿐, 자동차 엔진처럼 큰 무게 부하가 직접적으로 걸리는 건 없으므로 특별히 저속 회전에서 토크가 큰 출력이 필요하지는 않을 것이다. 교통수단들 중에서는 이례적으로 경유· 중유급의 연료가 쓰이지 않는 것도 이런 맥락에서 살펴볼 수 있겠다.
     
    인류 역사상 최초로 동력 비행에 성공했다고 알려진 미국의 라이트(Wright) 형제는 독실한 크리스천이었다고 한다.
    http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=239
     
    그리고 해로(seaway)라는 것을 발견한 매튜 머리도 시 8:8에서 연구의 영감을 얻은 크리스천이었다.
    http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=1798
    오늘날은 해로도 모자라서 비행기의 순항 고도에도 기류라는 게 있어서 이를 잘 타면 연료를 아끼고 효율적인 비행이 가능하다고 알려져 있다.
     
    이런 것처럼, 철도를 개척한 선구자 중에 혹시 크리스천 과학자· 엔지니어가 있진 않았는지(리처드 트레비식, 제임스 와트?) 난 정말 궁금하다.
    그리고 혹시 성경에서 좌측통행이나 우측통행에 대한 언급이 있는지도 궁금하다. 성전· 성막이나 천년왕국 때의 관습에 대한 묘사에서 힌트가 될 만한 정보가 있을지?
     
    오늘날 세계의 대세는 우측통행이나, 영국이 대영제국 시절에 영어와 표준궤 철도와 더불어 전세계에 퍼뜨린 것은 좌측통행이다.
    여객기는 승객 탑승구가 진행 방향 기준 왼쪽에 달려 있으며, 전세계의 공항들도 그 기준으로 건설되어 있다. 이 말이 믿어지지 않으면 비행기를 타고 내리는 사람의 사진을 아무거나 찾아보기 바란다. 이는 과거에 선박의 관행을 물려받은 것이다.
     
    승객이 왼쪽으로 타니 화물은 오른쪽으로 싣고, 비행기의 시동을 걸 때도 오른쪽 엔진부터 켜는 게 항공업계의 관행이다. 이는 과거에 프로펠러기 시절에 승객의 안전을 위해서 언제부턴가 생긴 불문율이나, 오늘날 같은 제트기 시대엔 큰 의미는 없다.
    [이 게시물은 관리자님에 의해 2012-07-21 15:50:41 자유게시판에서 이동 됨]
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