등골 오싹하게 경이로운 장난감 속 물리학 원리들 [책&생각]

김범준의 물리 장난감
일상 속 사물들에서 찾은 신기한 과학 원리
김범준 지음 l 이김 l 1만9800원

오르비즈 또는 개구리알이라고 불리는 장난감이 있다. 작은 플라스틱 구슬 모양이다. 이 개구리알은 고분자 물질 흡수성 수지를 함유하고 있다. 물을 만나면 몇 시간 뒤에 물을 한껏 머금어 크기가 커진다. 어린이들의 촉감 놀이를 위해 자주 사용되는 장난감이다.

물을 흡수한 개구리알을 투명한 컵에 넣고 물을 부으면, 개구리알이 눈에 보이지 않는 신기한 현상이 벌어진다. 그 비밀은 빛의 굴절률에 있다. 물을 머금은 개구리알에서와 물에서, 빛의 굴절률은 거의 같다. 이 때문에 물속에서 빛은 개구리알을 통과할 때 거의 굴절하지 않고 직선 방향으로 진행하게 된다. 이러한 원리로 물속에 있는 개구리알은 ‘투명’ 개구리알이 된다. 반면 개구리알이 공기 중에 있을 때는 우리 눈에 보인다. 공기와 개구리알에서의 빛의 굴절률이 달라 개구리알이 빛을 굴절시키기 때문이다.

놀이공원에 있는 ‘거대한 장난감’인 자이로드롭은 어떻게 속도가 줄면서 안전하게 내려오게 될까. 여기에는 자석의 원리가 숨어 있다. 자이로드롭에서 사람들이 빙 둘러앉은 원 모양의 좌석 안에는 자석이 들어 있다. 이 자석이 들어 있는 좌석이 금속 도체인 원기둥을 따라 낙하할 때 전자기 유도 현상이 발생한다. 시간에 따라 변하는 자기장이 전기장을 만들어 내고, 전기장이 자기장을 만들어 내는 것을 전자기 유도라고 한다. 자기장이 변할 때 유도되는 전류의 방향은 자기장의 변화를 방해하는 쪽으로 작용한다. 이 원리에 따라 좌석이 낙하할 때 자이로드롭 원기둥에 전류가 만들어지고, 이 유도 전류의 방향은 자기장을 방해하는 방향으로 작용한다. 결국 아래로 낙하하는 자이로드롭의 속도가 줄어들게 되는 것이다.

성균관대 물리학과 교수이자 과학커뮤니케이터로 활발히 활동하고 있는 지은이는 강의실에서 학생들에게 물리학 원리를 쉽고 재미있게 설명하기 위해 물리 원리가 적용된 장난감들을 모으기 시작했다고 한다. 그는 책에서 ‘개구리알-굴절률’과 ‘자이로드롭-전자기 유도 현상’ 외에도 ‘액체 손난로-에너지·안정 상태·과냉각’, ‘팽이-각운동량’, ‘분무기-베르누이의 원리’, ‘전기의 힘으로 껌종이에 불 붙이기-전기 저항’ 등 30개 가까운 장난감 또는 실생활에서 볼 수 있는 다양한 현상들과 각각의 경우에 숨어 있는 고전역학·열역학·전자기학 등의 물리학 원리들을 설명한다. 지은이는 “너무 익숙해서 늘 당연하게 생각했던 현상을 물리학으로 설명할 수 있음을 깨달을 때 등골이 오싹한 경이로움을 느낀다”고 말한다.

김규남 기자 3strings@hani.co.kr