▼집부터자전거,스마트폰에에어컨까지
익숙한일상에서물리법칙찾기
첫대상은거대한건물이다.저자는질문한다.어떻게엠파이어스테이트빌딩과같은거대한건물이튼튼하게버티는걸까?절대무너지지않는다고믿어도되는걸까?물론건물은찰나의걱정도아까울만큼튼튼하다.엄청난높이로위태롭게서있는마천루는아찔함을느끼게하지만물리학은우리의경험과직관너머에있다.저자는건물의밑단이받는중력이우리발목이받는중력과비슷하다고비유한다.우리가발목이몸무게를버티지못하고부러질거로생각하지않는것처럼튼튼하단말이다.건물의높이만큼밑단의넓이가커지면늘어나는무게의압력은적절하게분산된다.키에따라발목이굵어지면되는것이다.엠파이어스테이트빌딩의밑단넓이는대략8,000m2에달하고,빌딩의전체무게는약33만톤으로추정된다.하지만광대한밑단넓이덕분에지면이받는중력은놀랍게도대기압의네배에불과하다.건물이올라갈수록가늘어지는구조면금상첨화다.마천루의모습이거의비슷한이유는이들이물리법칙을잘따르고있다는증거다.참고로꼭대기는엄청난바람에너지를흡수하기위해살랑살랑흔들릴수있게설계되었다.
세상을움직이는물리법칙을다루지면지레도빼놓을수없다.저자는동네철물점의수백가지도구를지레,바퀴,쐐기로간단히분류할수있다고말한다.그중에서도지레는그야말로모든기계의아버지다.지레는막대의한지점을받치고그받침점에작용하는회전력을이용해물체를움직이는도구다.지레가길수록가하는힘을더많이늘려준다.아르키메데스는“충분히긴지렛대만있으면지구도들어올릴수있다”라고말했을정도다.저자는렌치,수도꼭지,자전거,도끼로나무를패는일까지일상에서만날수있는다양한도구의움직임을지레원리에기반해설명한다.
빛은물리법칙의꽃이자문명의근간이다.우리는빛때문에무언가를볼수있다.그래서빛이라고하면흔히태양이나형광등을떠올리지만이는빛의정체에극히일부분이다.과학자들에게빛은단지‘보이는에너지’가아니다.그보다는‘정밀하면서도믿을수없이빠른속도로진행하며,우리눈이감지할수있는것은그중극히일부에불과한,아주특수한종류의에너지’에가깝다.특히빛의전기적특성은문명을이루는핵심원리가되었다.전기를활용해도시의에너지를만들고정보를광속으로전달한다.모든전기는빛이기때문이다.저자는만약빛의속도를줄이고빛을원자규모로관찰하는게가능하다면,전기와자기가오르락내리락곡선을그리며에너지를전파하는물결모양의파동을볼수있을지모른다고말한다.이파동중에‘라디오파’라고도불리는전파를활용해서우리는집안에서거의실시간으로지구반대편의모습을감상할수있다.
냉방과난방에관한흥미로운물리법칙도소개한다.집을데우는것보다집을식히는것이물리법칙상더어렵다는것이다.집을식히는일이왜더힘들까?이론상으로는덥히는것과식히는것이정확히반대이기때문에냉방이난방보다어려울이유가없다.10°C의냉수한컵을끓이려면일정량의에너지를공급해야하고반대로물이10°C로식을때물에서동량의에너지가회수된다.에너지보존법칙이라고도부르는열역학제1법칙이양방향으로작용하기때문이다.하지만히터를역회전해방에서열을빨아들일수도,방에서열을퍼내석탄덩어리에다시욱여넣을수는없다.가열은물질에혼돈과무질서를야기하는반면냉각은반대로질서와안정을가져다주기때문이다.열역학제2법칙,엔트로피법칙에따르면우주는자연적으로질서에서혼돈으로움직인다.가열은혼돈을향하는우주의경향에부합하지만,냉각은인공적으로질서를강제하는것이며,따라서우주의경향에반하는것이다.그래서방을시원하게하려면전기히터에서열에너지를퍼져나가게놔두는것과는다른방법을써야한다.에어컨이나냉장고는전기를활용해열을차가운곳에서뜨거운곳으로역행하게만든다.전기에너지가뜨거운것을더뜨겁게,차가운것을더차갑게하는비정상적사이클을가동해서열역학제2법칙에따라마땅히없어져야할집안팎의온도차를억지로유지하는것이다.
마지막으로온종일바람을날리는선풍기날개에먼지가쌓이고자동차가더러워지는지는이유도물리법칙으로설명한다.바람이아무리불어도먼지가꿈쩍도하지않는이유가있다.첫째,작고가벼운물질일수록정전기의접착력에의해물체표면에붙들려있을가능성이높다.둘째,풍속은표면에서멀어져특정거리에이르기전까지점진적으로증가하기때문에지면의풍속은0이라는것이다.이게산봉우리의바람이매우거센이유다.반대로지면바로위,즉선풍기날개나자동차보닛표면에서원자한개정도떨어진곳에서는공기의속도가전혀없다.공기가전혀움직이지않는곳에먼지가있기때문에이들이갈수록더러워지는것은당연하다.그래서결론,먼지는입으로부는것보다걸레로닦는것이훨씬낫다.
