재미있는 과학

"풍차 모양의 화장실, 관광 명소가 되다."

최근 전남 화순군에 네덜란드의 풍차를 연상시키는 예쁜 건축물이 세워져 주목을 받았어요. 빨간 지붕에는 풍차 날개가 달렸고, 건물 주변에는 튤립, 비올라, 팬지, 마거릿 등 꽃까지 심어 마치 동화 속에 나올 듯한 예쁜 모습이지요. 그런데 알고 보니 그 건물은 놀랍게도 화장실이었어요. 사실 우리는 '화장실'이라고 하면 지저분하다는 이미지를 먼저 떠올려요. 우리 몸에서 나오는 찌꺼기를 처리하는 곳이니 그런 생각이 드는 것도 당연하겠지요. 그래서 예부터 화장실은 잠자고, 밥 먹는 주된 생활공간과 멀리 떨어진 곳에 설치했어요. 또 식사 시간에는 화장실에 관련된 이야기조차 꺼내지 않도록 조심했답니다.

하지만 화장실은 우리와 떼려야 뗄 수 없는 긴밀한 관계예요. 인간의 삶에서 가장 중요한 3가지를 '의식주(衣食住)'라고 하지요. 우리가 사는 데는 '입을 것과 먹을 것, 지낼 곳'이 필수라는 뜻이에요. 이 중에서도 '먹을 것'은 인간의 생사(生死)를 좌우하는 가장 중요한 요소입니다. 먹을 것이 없다면 며칠을 살기 어려울 테니까요. 그런데 이처럼 중요한 '먹는 행위' 뒤에는 반드시 따라오는 것이 있어요. 바로 찌꺼기를 몸에서 배출하는 것이지요. 그러다 보니 사람들은 아주 오래전부터 이를 처리하는 방법을 연구해 왔습니다. 그렇다면 화장실은 언제부터 있었을까요? 놀랍게도 약 5000여년 전이라고 해요. 인더스 문명의 중심 도시로 알려진 '모헨조다로'는 건축기술이 발전하여 지하에 물길(수로)을 내고 집마다 구멍을 내어 물길과 연결했어요. 이것은 지금의 '하수도' 원리와 같아요. 즉, 수세식 화장실이었던 것이에요. 그런데 이런 놀라운 기술은 인더스 문명이 멸망하면서 사라지고 말았어요. 그 후 18세기 들어서 여러 발명가의 노력으로 지금의 수세식 변기가 만들어졌지요.

수세식 변기는 위생과 냄새 문제를 해결하기 위해 매우 과학적으로 설계되었어요. 우선 배설물을 씻어 내리는 데 필요한 물은 뒤쪽 물탱크에 저장되는데, 열려 있는 수도와 연결되어 물이 자동으로 차올라요. 물탱크 안에는 풍선 모양의 공기통(부자)이 물이 나오는 입구를 막는 마개(볼탭)와 연결되어 있어요. 물이 가득 차면 부력에 의해 공기통이 떠오르고, 물이 나오는 입구를 막아 물이 넘치는 것을 막지요.

이렇게 높은 위치에 물을 저장하는 이유는 물의 위치에너지를 이용하기 위해서예요. 댐에 저장된 물을 낮은 곳으로 떨어뜨려서 그 힘으로 풍차 모양의 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것과 비슷하지요. 물탱크에 저장된 물이 떨어지는 힘으로 변기 속의 이물질을 씻어 내리는 거예요. 이때 물은 그냥 직선으로 떨어지는 것이 아니라 변기 가장자리에 난 여러 개의 구멍을 통해 회전하며 떨어져요. 이렇게 물이 회전하면 변기 가장자리의 이물질까지 씻을 수 있고, 씻어 내리는 힘도 강해지지요.

또한 변기의 물이 하수도로 흘러 내려가는 통로인 배수관은 직선이 아니라 거꾸로 된 'U' 자 모양으로 생겼어요. 즉 배수관으로 들어간 변기 물은 위로 한 번 올라갔다가 다시 내려가는 거예요. 물을 왜 그냥 직선으로 내려가게 하지 않았을까요?

여기에는 '사이펀의 원리'라는 과학 원리가 숨어 있답니다. 변기를 보면 물이 항상 일정한 양만큼 차 있지요? 변기에 바가지로 천천히 물을 부어보면, 신기하게도 물이 일정 수위 이상 차오르지 않아요. 그런데 많은 양의 물을 한꺼번에 부으면 변기 속의 물이 완전히 빠져나가는 것을 볼 수 있지요. 이런 현상은 바로 '사이펀의 원리' 때문에 일어나요. 물을 천천히 부을 때 일정 수위 이상 차오르지 않는 이유는 물이 거꾸로 된 U 자 형태 배수관의 꼭대기 부분까지 차면 물이 아래로 꺾인 부분으로 조금씩 흘러 내려가기 때문이에요.

그럼 물을 한꺼번에 부었을 때는 왜 변기 속의 물이 완전히 빠져나갈까요? 많은 양의 물이 강한 압력으로 배수관의 구부러진 부분을 지나가면, 배수관에는 공기가 지나갈 틈새가 없어져요. 이때 물의 중력과 표면장력에 의해 아래로 내려가던 물이 뒤에 있는 물을 잡아당기는 현상이 일어나지요. 즉 배수관의 위쪽으로 향하던 물도 아래로 내려가는 물과 함께 하수도로 내려가는 거예요. 이런 '사이펀의 원리'는 어항의 물을 빼내거나, 화학물질 등 다루기 어려운 액체를 옮길 때 유용하게 사용됩니다. 변기 속의 물이 다 내려가면 물탱크에서 깨끗한 물이 변기로 흘러내려 다시 채워지지요. 이렇게 변기에 물을 채워두는 이유는 그 물이 하수도에서 올라오는 악취를 막아주기 때문이에요. 우리가 매일 쓰는 수세식 변기에 이렇게 복잡한 과학 원리가 숨어 있다니, 참 신기하지요?

그런데 이처럼 편리한 수세식 변기를 '인류 최악의 발명품'이라고 말하는 학자도 있어요. 물 낭비와 수질오염의 주범이라는 이유 때문이에요. 사실 수세식 화장실이 널리 사용되면서 물 사용량이 매우 증가하여 하수량이 늘고 오염 문제도 커졌어요. 그래서 많은 과학자가 인분(人糞)을 거름으로 만들 수 있는 변기 등 다양한 친환경 변기를 만들고자 노력 중이지요. 미래에는 과연 어떤 형태의 화장실과 변기가 등장할까요? 여러분도 함께 상상해 보세요.


[관련 교과] 6학년 1학기 '생태계와 환경' 6학년 2학기 '에너지와 도구'


[함께 생각해봐요]

비행기의 변기는 어떤 원리로 되어 있을까요?

해설: 옛날 비행기에 있던 변기는 외부와 바로 연결되어 배설물을 그냥 밖으로 배출했다고 해요. 하지만 지금은 커다란 정화조가 따로 설치되어 있어요. 진공청소기처럼 변기 안의 내용물을 빨아들인 후 비행기 하단에 설치된 커다란 정화조로 보내고, 착륙 후에 정화조를 비운다고 해요.