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이카루스의 꿈 - 수소(H)와 헬륨(He) - 목록

조회 : 11286 | 2011-10-18

아! 이카루스여~
하늘을 동경했던 인류의 꿈은 그리스 신화의 이카루스 이야기에 잘 나타나 있다. 아라비안나이트의 신밧드도 마법 양탄자를 타고 자유롭게 하늘을 날았으며, 손오공의 근두운도 하늘을 날고자 했던 인류의 꿈과 이상을 나타낸 것이었다. 미노스 왕의 노여움을 산 아버지 다이달로스와 함께 크레타 섬에 갇혀 있던 이카루스는 아버지가 만든 날개로 섬을 탈출했다. 아버지를 뒤따르던 이카루스는 날개 짓에 익숙해지자, “너무 높이 날아오르지 말라”는 아버지의 충고를 잊은 채 더 높이 날아올랐다. 결국 그는 날개를 붙인 밀랍이 태양열에 의해 녹는 바람에 바다에 떨어져 죽고 말았다. 비행기에 대한 상상은 천재 과학자이자 예술가였던 레오나르도 다빈치(1452~1519)로부터 시작되었다. 그는 박쥐의 날개를 본 뜬 ‘오너솝터’와 같은 비행체를 설계하였다. 비록 이를 제작한 기록은 없지만, 그의 영감은 비행기 개발에 큰 영향을 미쳤다. 그러나 그 이후, 라이트 형제의 비행기가 탄생하기까지는 400여 년이라는 시간이 필요했다.










오너솝터(Ornithopter, 레오나르도 다 빈치)




몽골피에 형제의 도전
제지업자의 아들로 태어난 조셉 몽골피에(1740~1810)와 쟈끄 몽골피에(1745~1799) 형제는 종이를 태운 재가 하늘로 올라가는 것을 유심히 관찰했다. 그들은 커다란 주머니에 뜨거운 연기를 채우면 하늘을 날 수 있을 것으로 확신하였다. 1783년 6월! 광장에는 수많은 인파가 모여 들었다. 몽골피에 형제는 열기구 안으로 밀집 등을 태워서 뜨거운 연기를 불어넣기 시작했다. 기구가 들썩이더니 마침내 두둥실 떠올랐다. 인류가 하늘을 날아오를 수 있게 된 것이다. 사람들은 연기 속에 기구를 띄우는 가스가 있다고 믿었다. 이 연기는 ‘몽골피에 가스’라 불렸다. 9월에는 양과 닭, 오리 등을 실은 열기구를 하늘로 띄웠다. 마침내 11월, 로지에(1754~1785)와 아를랑데(1742~1809)를 태운 열기구가 힘차게 떠올라 500 m 상공에서 25분 동안 9 km를 날았다. 우주를 향한 인류의 꿈을 실현시키기 위한 첫 걸음이 시작된 것이다.










동물을 태우고 날아오른 열기구




열기구와 수소기구
사람이 바닷물에서 저절로 뜨는 것은 부력 때문이다. 즉, 사람은 같은 부피의 바닷물보다 가볍기 때문에 바닷물에 의해 위로 떠오르는 것이다.










열기구의 상승과 하강의 원리





열기구에도 부력이 작용한다. 열기구 안의 뜨거운 공기는 팽창하면서 밖으로 빠져나간다. 따라서 열기구가 주위의 공기보다 더 가벼워지기 때문에 하늘로 떠오르는 것이다. 1783년 12월, 열기구가 성공하자마자 샤를(1746~1823)은 수소기구로 로베르(1761~1828)와 함께 2시간 동안 비행에 성공했다. 샤를은 철과 젖산을 반응시켜 수소를 발생시켰다. 수소기구의 수소도 공기보다 훨씬 가볍기 때문에 열기구처럼 떠오른다. 그러나 최초의 열기구 유인 비행에 성공했던 로지에는 수소기구를 이용하여 프랑스에서 영국으로 비행하던 도중에 수소가 폭발하는 바람에 최초의 항공 희생자가 되고 말았다.




체펠린 vs. 라이트 형제
그러나 이러한 기구들은 방향을 조정하기가 어려웠다. 1907년, 체펠린(1838~1917)은 알루미늄 골격에 천을 덮은 후, 주머니에 수소를 채운 비행선을 만들었다. 이 비행선은 수직과 수평 꼬리날개의 승강타와 방향타로 방향을 조절했다. 또한 가스의 양으로 이․착륙을 조절하면서 먼 거리를 비행할 수 있게 되었다.










체펠린형 경식비행선의 구조 (그림 출처: http://www.wikipedia.org/)





비행선과 함께 새로운 도전이 시작되었다. 1804년, 케일리(1773~1857)는 활공으로 나는 글라이더 비행에 성공했다. 그러나 바람을 이용한 글라이더로는 멀리 비행할 수 없었다. 1903년 12월 17일, 미국 노스캐롤라이나 키티호크 해안에서 인류 최초의 비행기가 엄청난 소리를 내며 이륙했다. 윌버 라이트(1867~1912)와 오빌 라이트(1871-1948) 형제가 거듭된 실패 끝에 가솔린엔진을 단 ‘플라이어호’가 12초 동안 36 m의 동력비행에 성공한 것이었다. 이날 시험비행에서 세운 최고 기록은 59초 동안 244 m를 비행하였다. 플라이어호의 날개는 활공하기 좋게 설계되었으며, 승강타와 방향타 등을 갖추고 있어 글라이더와 완전히 다른 비행기였다. 20세기 최고의 발명품인 비행기는 끊임없이 성능이 향상되었다. 제1차 세계대전 당시 비행기는 시속 204 km로 1,000 km를 날 수 있었으며 20만여 대가 제작되었다. 비행기는 세계를 지구촌으로 탈바꿈시켰다. 인류의 꿈은 실현되었으며 지구 어디든지 갈 수 있게 되었다.










최초의 동력비행에 성공한 라이트 형제




정평구의 비거
우리나라에도 비행체에 대한 기록이 남아 있다. ‘여암전서’에 따르면 1590년대 정평구가 만든 비거는 가운데 큰 가죽 주머니에 들어있던 압축공기를 주머니 아래쪽 구멍으로 분출하면서 진주성 밖으로 30리를 날았다고 한다. 이규경(1788~?)의 ‘오주연문장전산고’에 의하면 “원주에 사는 정평구 선생이 따오기 모양을 한 비차를 만들어 날개로 배를 치며 바람을 일으켜 공중에 떠올라 백 척을 능히 날 수 있었다.”고 기록되어 있다. 이처럼 비거는 플라이어호보다 무려 300년이나 앞서 제작된 것이다.










복원된 비거(국립과천과학관)




힌덴부르크 호의 비극
1937년 5월 6일, 미국 뉴저지 주의 해군 비행장에는 수많은 사람들로 붐볐다. 그들은 독일에서 출발하여 대서양을 횡단한 힌덴부르크 호를 보기 위해서 모여 있었다. 힌덴부르크 호는 객실과 식당, 그랜드 피아노뿐만 아니라 산책용 통로까지 갖춘 ‘하늘의 타이타닉’이라 불리는 245 m 길이의 초호화 비행선이었다. 그러나 인류 역사상 가장 큰 비행체였던 힌덴부르크 호는 착륙 직전, “쾅!”하는 폭음과 함께 공중에서 불길에 휩싸였다. 하늘에서 쏟아지는 무수한 잔해와 현장을 탈출하려는 사람들은 비명을 질렀고 비행장은 순식간에 아수라장이 되고 말았다.










힌덴부르크호의 폭발 장면





힌덴부르크 호의 폭발은 1912년 타이타닉 호 침몰, 1986년 우주 왕복선 챌린저 호 폭발과 함께 20세기 세계를 경악시킨 가장 비극적인 사고들 중 하나였다. 힌덴부르크 호는 왜 폭발했을까? 사고 당시 참사의 원인은 마찰로 생긴 정전기 때문에 비행선에 사용했던 수소의 폭발로 알려졌다. 이로 인해 비행선 시대는 막을 내리고 비행기가 본격적으로 열리게 되었다.




왜 수소를 채웠을까?
샤를이 수소기구를 발명했지만, 수소 대신에 차츰 안정한 헬륨을 사용하기 시작했다. 수소는 작은 충격에도 산소와 폭발적인 반응에 의해 많은 열을 발생하며, 이 열에 의해 팽창한 기체의 압력에 의해 폭발이 일어날 수 있기 때문이다. 반면에 안정한 헬륨은 산소와 반응하지 않는다. 독일도 수소의 위험성을 알고 있었다. 그러나 헬륨을 대량 생산했던 미국은 독일이 헬륨을 군사용으로 사용할 것을 우려하여 팔지 않았다. 결국 독일은 수소를 사용할 수밖에 없었던 것이다.




수소(H, Hydrogen)와 헬륨(He, Helium)
1766년, 캐번디시(1731~1810)는 아연을 산성 용액에 넣어 새로운 기체를 발견하였다. 이 기체는 불이 잘 붙었기 때문에 가연성 공기라 불렀으며, 산소와 반응으로 물이 되기 때문에 ‘물을 만드는 원소’라는 뜻의 ‘수소’로 명명되었다. 이것은 중요한 발견이었다. 아리스토텔레스가 주장했던 4원소였던 물이 화합물이었기 때문이다. 아리스토텔레스의 4원소설이 무너지는 순간이었다. 1868년, 장센(1824~1907)과 로키어(1836~1920)는 햇빛의 스펙트럼에서 지상에서는 볼 수 없던 새로운 원소의 스펙트럼을 발견하였다. 이 원소는 그리스 신화의 태양신 헬리오스의 이름에서 헬륨으로 명명되었다. 1895년, 램지(1852~1916)는 우라늄 광물에서 헬륨을 발견하였다. 헬륨은 우라늄이 붕괴할 때 생기는 기체였다. 헬륨은 지구 대기의 0.0005%에 불과하다. 지구의 중력이 가벼운 헬륨을 붙잡을 정도로 충분하지 않기 때문이다. 우주에서 제일 풍부한 원소는 원자번호 1번인 수소이며, 두 번째는 원자번호 2번인 헬륨이다.




헬륨과 오리
헬륨을 한 모금 깊게 들이키면 목소리가 오리처럼 변한다. 왜 목소리가 달라질까? 소리는 물체나 공기의 진동에 의해서 만들어진 파동인 음파가 사람의 고막을 진동시키면서 전달된다. 소리에는 음정(높낮이), 음압(세기), 음색의 3요소가 있다. 음정은 파동의 진동수(1 Hz는 1초에 파동이 한 번, 10 Hz는 10번 반복된다.)에 의해 결정된다. 즉, 파장이 짧으면 음이 높고, 파장이 길면 음이 낮다. 목구멍의 가운데에 위치한 목청은 공기가 가득 찬 기도(목구멍서부터 허파까지 연결되는 숨 쉬는 길)와 성대(목에 좌우에 있는 점막의 융기로, 진동에 의해 소리를 만들어내는 근육으로 된 기관)로 이루어지며 한쪽이 막힌 피리와 같다. 따라서 기도가 짧은 어린이, 키 작은 사람, 여자의 진동수가 크기 때문에 고음이 난다.










소리의 3요소





그렇다면 헬륨과 오리 소리는 어떤 관계가 있는 것일까? 가벼운 기체는 더 빨리 움직인다. 헬륨은 공기보다 약 2.7배 빠르다. 따라서 목청에 헬륨이 차 있으면 소리의 진동수는 평소보다 2.7 옥타브가 더 높아져 도날드 덕 효과가 나는 것이다.










음정이 같을 때 소리의 세기는 파동의 높낮이에 의해 결정되며, 데시벨로 나타낸다. 그런데, 피아노와 바이올린의 소리는 음정과 음압이 같아도 쉽게 구별할 수 있다. 왜 피아노와 바이올린의 ‘도’는 서로 다르게 들릴까? 그것은 음정과 음압이 같더라도 소리의 파형, 즉 맵시가 다르기 때문이다.




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