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동그라미 혁명- 황(S) - 목록

조회 : 7265 | 2011-12-12

아들아~
자동차나 자전거 바퀴를 나무나 단단한 철로 만들면 어떨까? 공기 타이어를 처음 발명한 사람은 던롭(1840∼1921)이었다. 어느 날 그의 아들이 자전거를 타다가 넘어져 얼굴을 크게 다쳤다. 쇠를 씌운 나무바퀴는 충격을 흡수할 수 없었기 때문에 작은 돌멩이에도 넘어지고 말았던 것이다. 상처를 치료하던 던롭은 ‘고무’를 떠올렸다. 그는 나무바퀴에 씌운 쇠를 떼어내고 고무를 씌웠다. 조금 나아지기는 했지만 여전히 불편했다. 어느 날, 그는 바람 빠진 공에 공기를 채우던 중 갑자기 수축하고 팽창하는 공기를 떠올렸다. 1888년, 마침내 던롭은 공기를 채운 고무 튜브를 나무 바퀴에 붙인 최초의 공기압 타이어를 발명하였다. 공기타이어의 발명



지우개
지우개가 없을 때에는 연필로 쓴 글씨를 지우기 위해 빵 부스러기를 사용하곤 했다. 1772년, 상념에 빠진 프리스틀리는 자기도 모르게 글씨가 적힌 종이에 고무를 문지르고 있었다. 잠시 후 그는 글씨가 지워진 것을 보고 지우개를 착안하였다. 고무를 뜻하는 러버(rubber)는 문지르다(rub)에서 유래한다. 연필과 지우개는 바늘과 실처럼 항상 붙어 다닌다. 1867년, 가난한 화가 지망생 하이만은 지우개를 찾던 중 지우개 달린 연필을 생각해냈다. 그는 양철 조각으로 연필과 지우개를 묶어서 지우개 연필을 만들었다. 불편을 해소하려고 만든 지우개 연필은 후에 하이만에게 엄청난 부를 가져왔다.










연필지우개의 발명




바퀴의 발명





바퀴 / 플리커 (www.flikr.com) (cc)calamur





축과 연결된 바퀴는 인류의 문명을 신속히 전 세계로 전파시켰다. 바퀴는 미끄럼 마찰을 굴림 마찰로 바꿔 이동할 때 저항을 줄이며, 이동 수단뿐만 아니라 물레방아, 물레, 맷돌 등에도 사용된다. 마찰이란 두 물체 사이에서 운동을 방해하는 힘으로서 정지한 물체를 움직일 때의 정지 마찰과 움직이는 물체에 작용하는 운동 마찰이 있다. 운동 마찰은 물체의 면을 따라 미끄러지는 미끄럼 마찰과 구르는 굴림 마찰이 있다. 굴림 마찰력은 미끄럼 마찰력보다 작기 때문에 물체를 굴리면 쉽게 이동할 수 있다. 바퀴가 처음 사용된 것은 도자기를 빚는 물레였다. BC 2500여년 경에는 바퀴달린 수레가 사용되었다. 이 바퀴들은 통나무를 원반 모양으로 다듬거나 몇 개의 널판을 연결하여 원형으로 깎은 후 구리로 테를 둘러서 만든 것이었다. BC 2000년, 바퀴살이 있는 바퀴가 등장했으며 BC 1300여년 경에는 중국에서도 바퀴살이 있는 전차를 사용하였다.




바퀴의 과학
왜 열차의 바퀴와 선로는 강철로 만들까? 그것은 바퀴와 레일 사이의 마찰력이 자동차 타이어와 아스팔트 사이의 마찰력보다 작기 때문이다. 사람이 운동장에서 달리는 것보다 얼음판에서 스케이트를 타는 것이 더 빠른 것과 같다. 기차는 속도가 빠르지만, 마찰력이 작기 때문에 빨리 출발하거나 급히 멈출 수 없다. 이것은 교차로에서 기차를 먼저 통과시키는 이유이기도 하다. 또한 기차는 경사진 언덕을 오르기 어렵기 때문에 철로는 오르막과 내리막이 없도록 터널이나 고가를 만든다.




공기압 타이어
던롭이 발명한 공기압 타이어는 때 마침 보급된 자전거 바퀴로 날개 돋친 듯이 팔려나갔다. 딱딱한 바퀴와는 달리 편안한 공기압 타이어는 혁신적인 발명품이었다. 공기압 타이어는 자동차에 더욱 빛을 발했다. 1895년, 미쉐린(1859~1940)은 자동차의 바퀴로 공기압 타이어를 사용하였다. 그가 자동차 경주에서 선보인 공기압 타이어는 계속 펑크 났지만 고무만 사용한 것보다 훨씬 성능이 뛰어났다. 공기압 타이어는 10년 만에 모든 바퀴에 장착되었다. 많은 합성 고무가 개발되면서 타이어 안에 고무튜브 없이 직접 공기를 넣는 튜브리스 타이어가 개발되었다. 튜브가 없는 만큼 가볍고, 못에 찔려도 공기가 천천히 새기 때문에 안정적이었다. 최근에는 펑크를 해결할 수 있는 그물형 타이어도 개발되고 있다. 이 타이어는 공기 대신에 그물 말이 충격을 흡수한다.




가황 고무의 탄생
타이어의 원료인 고무는 서인도 제도 원주민들이 갖고 놀던 공의 원료였다. 15세기 말, 이 공을 본 콜럼버스(1451~1506) 등에 의해 천연 고무인 라텍스가 유럽에 전파되었다. 원주민들은 고무나무에서 채취한 수액을 탄력 있는 덩어리로 건조시켜 공이나 신발 혹은 항아리나 옷감에 발라서 방수용으로 쓰고 있었다. 그러나 아쉽게도 라텍스는 더워지면 껌처럼 끈적거리고 추워지면 유리처럼 쉽게 부서졌다. 1839년, 라텍스를 연구하던 굿이어(1800∼1860)는 실수로 황을 생고무 위에 엎지르고 말았다. 그런데 황과 섞인 고무는 탄력뿐만 아니라 끈적거리거나 부서지지도 않았다. 라텍스에서 황은 어떤 역할은 하는 것일까? 고무처럼 탄성을 갖는 물질들은 분자들 간의 힘이 약하다. 라텍스에 첨가된 황은 라텍스의 기다란 사슬들을 서로 연결시킨다. 즉 사다리처럼 사슬과 사슬들을 연결하는 것이다. 이러한 라텍스는 온도 변화에도 적당한 탄성을 유지할 수 있었던 것이다.










가황고무의 합성










천연고무 수액의 채취 (cc)SJ photography




아세톤 대통령
1910년, 바이츠만(1874~1952)은 설탕을 인조고무를 바꾸는 박테리아를 찾고 있었다. 그는 이 과정에서 인조고무 대신에 우연히 설탕을 아세톤으로 변화시키는 박테리아를 발견하였다. 그는 녹말에서 얻은 설탕을 박테리아로 처리하여 알코올과 아세톤을 얻었다. 이전에는 밀폐용기에서 나무를 가열할 때 생기는 증기에서 아세톤을 분리했었다. 따라서 아세톤의 양도 적고 많은 양의 나무가 필요했던 것이다. 왜 아세톤이 필요했던 것일까? 제1차 세계대전 당시 화약 원료인 니트로셀룰로오스를 얻으려면 이것을 녹이는 아세톤이 필요했다. 결국 바이츠만이 개발한 방법으로 연합군은 승리를 거둘 수 있었다.










아세톤과 바이츠만





전쟁 후, 영국 수상 로이드(1904~1978)는 바이츠만의 공로를 보답하려 했다. 유태인이었던 바이츠만은 팔레스타인 지역에 유태인 독립국가 건설 지원을 요청했으며 마침내 1948년에 이스라엘이 건국되었다. 바이츠만은 초대 대통령으로 선출되었다. 매니큐어를 지우는 아세톤은 이스라엘의 건국과 바이츠만을 초대 이스라엘 대통령으로 만들었던 것이다.




환경의 적, 황
바퀴로 인해 가황고무는 엄청나게 사용되면서 다양한 문제를 야기했다. 공기압 타이어의 발명으로 인해 급속히 발전한 자동차 산업은 심각한 환경오염을 일으켰다. 산성비의 주범인 화석연료의 사용이 폭발적으로 증가한 것이다. 순수한 물의 pH는 7이지만 물을 공기 중에 오래 두면 공기 중의 이산화탄소가 녹아들어가면서 5.6으로 낮아진다. 따라서 pH가 5.6 이하인 비를 산성비라 부른다. 토양이 산성화되면 토양 내 미생물이 죽고, 식물에 필요한 칼슘, 마그네슘, 칼륨 이온 등은 씻겨 사라진다. 즉 토양 속의 점토 입자들을 둘러싼 이온들이 산성비에 의해 씻겨나가면서 삼림과 토양이 황폐화되고 농산물 수확량이 감소된다. 동물도 산에 의해 점막이 손상되며, 유물이나 철 구조물도 부식되어 큰 피해를 입게 된다. 산성비의 주요 원인은 배기가스, 공장 매연과 같은 인위적인 것과 화산 폭발, 산불, 황사 등 자연적인 것에 의해 생긴다. 특히 자동차 배기가스에는 화석 연료(황은 화석 연료의 0.5~1 wt%를 차지한다. 탈황 과정으로 황을 완전히 제거할 수 없다.)에 포함된 황이 연소되면서 이산화황이 생긴다. 이것은 공기 중의 물에 녹아 황산이 되어 산성비가 내린다. 공기압 타이어의 개발에 일등공신이었던 황이 이제는 환경오염의 주범인 것이다.




바퀴없는 차
1825년, 증기기관을 이용한 최초의 열차가 탄생한 이후 1964년 일본의 신칸센을 시작으로 프랑스의 TGV, 독일의 ICE 등 일부 국가들은 시속 300 ㎞가 넘는 고속전철을 제작하고 있다. 고속전철은 일반적으로 시속 200 km 이상으로 주행하는 철도를 말한다. 바퀴는 지금도 핵심적인 운송 수단인 자동차, 열차 등에 널리 사용되고 있다. 2010년, 우리나라도 프랑스 고속전철이 수입된 지 6년 만에 한국형 고속전철이 탄생하였다. 세계에서 네 번째로 고속전철 제작한 것이다. 철도의 속도 경쟁은 바퀴가 없는 자기부상 열차를 탄생시켰다. 자석의 반발력으로 열차를 공중으로 띄워 달리는 자기부상열차에는 바퀴가 없다. 에너지 효율이 높고 친환경적이며 수송 능력이 뛰어난 꿈의 미래 운송 수단인 것이다.




자기부상열차의 원리
자석은 같은 극끼리는 서로 밀고, 다른 극끼리는 서로 당긴다. 자기부상 열차는 이러한 원리를 이용해 기차가 공중에 떠서 달리는 것이다. 특히 자석 중에는 전기를 흘려보낼 때만 자석이 되는 ‘전자석’이 있어서 열차를 움직이고 서게 할 수 있다. 자기부상 열차를 움직이려면 열차를 띄우고 전진시키는 힘이 필요하다. 열차를 띄우는 것은 자석의 같은 극끼리의 반발력을 이용한다. 그리고 반대 극끼리의 인력에 의해서 전진하며 순간적으로 반대 극을 만들어주면 다시 척력이 작용한다. 이처럼 철로에 설치된 전자석의 극을 주기적으로 조절하면서 열차는 계속해서 앞으로 나아가는 것이다.










자기부상열차의 원리(국립과천과학관)





‘노랗다’는 뜻의 황(黃)은 순수한 황이나 황화물로 발견된다. 영어의 sulfur는 ‘불의 근원’을 뜻하는 라틴어에서 유래한다. 순수한 황은 고체 광석이지만, 발화점은 190 도로 낮기 때문에 황은 불이 잘 붙는 광석이다. 황은 화약의 조연제로 사용된다. 발화점이 낮은 황이 먼저 발화되면서 열을 발생시키고 이 열에 의해 발화점이 높은 숯이 연소하면서 많은 기체를 방출하고, 높은 압력에 의해서 화약이 발사되는 것이다.















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