재미있는 과학

우리나라 최대의 명절인 설이 사흘 앞으로 다가왔어요. 설은 그립던 친척을 만나는 데다 세뱃돈도 받을 수 있어서 여러분이 더욱 기다리는 명절이기도 하지요. 게다가 설에는 재미있는 풍속놀이를 많이 해요. 윷놀이, 제기차기, 팽이치기, 연날리기, 널뛰기 등 집 안팎에서 할 수 있는 놀이가 많지요. 그중에서도 높은 하늘 위에 형형색색의 연을 띄워놓고 줄을 당겨 이리저리 움직이며 노는 연날리기는 누구나 즐길 수 있는 최고의 설 풍속놀이랍니다.

하지만 연을 하늘 높이 날리는 일은 생각만큼 쉽지 않아요. 연날리기를 해본 친구들이라면 줄을 잡고 뛴다고 해서 무조건 연이 날아오르지 않는다는 것을 알 거예요. 연날리기는 얼핏 단순해 보이지만 그 속에 다양한 과학 원리가 숨어 있답니다. 그래서 연의 구조나 연이 날아오르는 과학적 원리를 잘 알면 연날리기를 더욱 재미있게 즐길 수 있어요.

연날리기에는 비행기가 뜨는 것과 같은 원리가 숨어 있습니다. 비행기는 '양력(揚力)'이란 힘으로 떠오르는데, 양력은 유체(流體·액체, 기체를 합해 부르는 말) 속을 운동하는 물체에 운동 방향과 수직 방향으로 작용하는 힘을 말해요.

이 힘은 물체의 아래쪽에 흐르는 공기보다 위쪽에 흐르는 공기의 속도가 빠를 때 생기지요. 공기는 빠르게 흐르면 압력이 낮아지고, 느리게 흐르면 압력이 높아지는 특징을 가지고 있거든요. 비행기의 날개를 옆에서 보면 수평이 아니라 약간 비스듬히 기울어졌지요? 이런 형태 때문에 비행기가 빠르게 나아갈수록 비행기 날개 위쪽과 아래쪽에 흐르는 공기의 속도 차이가 점점 벌어지지요. 그 결과 압력이 높은 날개 아래쪽에서 압력이 낮은 위쪽으로 양력이 발생하고, 이 힘으로 비행기가 떠오르는 거예요. 연도 마찬가지입니다. 연에 달아놓은 줄을 잘 보면 연줄을 잡고 달릴 때 자연스럽게 연이 비스듬히 기울어지도록 설계되어 있지요. 연줄을 잡고 달리면 연은 양력을 받아 위로 떠오르는데, 어느 정도 높이 뜨면 사람이 달리기하지 않아도 하늘에 계속 떠 있답니다. 높은 곳에서는 더욱 강한 바람이 불기 때문이에요.

가오리연에 꼬리를 붙이고 방패연 가운데에 구멍을 내는 것도 단지 예쁘게 보이기 위한 게 아니에요. 가오리연에 꼬리를 달면 공기저항이 양쪽에 일정하게 작용하여 균형이 잘 잡힌답니다. 비행기의 꼬리날개, 화살의 깃털도 가오리연의 꼬리와 같이 균형을 잘 잡는 역할을 하지요. 방패연의 가운데에 난 구멍은 '방구멍'이라고 부르는데, 이 구멍도 연의 양쪽에 흐르는 공기를 구멍 쪽으로 흐르도록 유도하여 균형을 잡아주는 역할을 해요. 또한 방구멍은 연 아래쪽에 생기는 공기 압력을 줄여주는 역할도 하지요. 만약 방구멍이 없다면 공기의 압력이 너무 강해져서 연이 찢어지거나 연줄이 끊어지기 쉽거든요. 게다가 방패연은 전체적으로 볼록하게 휘어진 형태를 하고 있어서 꼬리를 달지 않아도 균형을 잡고 자유자재로 움직일 수 있답니다.

연을 조종하는 얼레에도 과학적인 원리가 숨어 있어요. 연이 날아오르고 하늘에 오래 떠 있는 데는 바람의 영향이 크다고 이미 설명했지요? 그런데 바람은 방향과 속도가 시시각각으로 변하기 때문에 그에 맞추어 줄을 잘 풀고 당겨야 해요. 얼레는 가운데 손잡이를 중심으로 원통형 실감개가 돌아가는 모양으로 되어 있어요. 손잡이보다 실을 감는 부분의 지름이 훨씬 크기 때문에 한 바퀴만 돌려도 꽤 긴 부분을 감을 수 있지요.

그리고 실감개의 모서리를 이용해 얼레를 돌리는데, 여기에는 지렛대의 원리가 숨어 있어 작은 힘으로도 팽팽해진 실을 쉽게 당길 수 있어요. 연날리기의 경우 줄을 풀 때는 빠르게 풀고, 당길 때는 서서히 당기는 경우가 많기 때문에 얼레의 이러한 구조는 연날리기에 가장 적합하지요.

연날리기의 원리는 놀랍게도 전기를 만드는 데 응용된다고 해요. '풍력 발전기'라고 하면 여러분은 아마 풍차 모양의 발전기를 떠올릴 거예요. 풍력 발전기는 강한 바람을 이용하여 전기를 만들지요.

그런데 바람은 높은 곳일수록 강하게 불기 때문에 강한 바람을 이용하려면 발전기를 높이 설치해야 해요. 땅에 세우는 발전기로는 한계가 생길 수밖에 없어요. 그래서 '높은 곳의 강한 바람을 어떻게 하면 이용할 수 있을까' 연구하던 중 과학자들이 연날리기 원리를 생각해낸 것이지요. 연이 강한 바람을 맞으면 연줄은 자연적으로 풀리는데, 줄이 풀릴 때 생기는 힘으로 발전기를 돌려 전기를 생산하는 거예요. 이 방식은 기존의 풍력 발전기보다 에너지 효율이 좋은 데다 장소의 제약을 받지 않는다는 장점도 있다고 해요.

어때요? 연에 대한 과학적 원리를 살펴보고 나니 연날리기를 더 잘할 수 있을 것 같지 않나요? 이번 설에는 꼭 연을 만들어 하늘 높이 띄워보길 바라요. 스마트 기기에 익숙해진 요즘은 고개를 들어 하늘을 바라볼 기회가 점점 줄어들고 있어요. 고개를 숙인 만큼 뒤로 젖혀야 목이나 척추 질환도 예방할 수 있다고 하는데, 이번 설에는 연을 날리며 재미와 건강을 동시에 얻어 보면 어떨까요?
 

[관련 교과] 3학년 1학기 '날씨와 우리 생활' 6학년 2학기 '에너지와 도구'


[함께 생각해봐요]

경주용 자동차를 보면 뒷부분에 날개 모양의 구조물이 장착되어 있어요. 그 구조물은 어떤 역할을 하는지 추측해 보고 글로 써보세요.

해설: 경주용 자동차의 뒷부분에 있는 날개 모양 구조물은 ‘리어 스포일러(rear spoiler)’라고 해요. 자동차가 빠르게 달리면 양력이 점점 커져 자동차 앞쪽보다 가벼운 뒤쪽이 공중으로 들리는 현상이 나타납니다. 그러면 자동차가 안전하게 달리거나 제때 멈출 수가 없지요. 리어 스포일러는 자세히 살펴보면 비행기 날개와 반대 모양으로 생겼는데, 자동차가 빠르게 달릴수록 아래쪽으로 누르는 힘을 발생시켜 자동차가 허공에 뜨는 양력 현상을 막아준답니다.