모래는 아이들에게 무엇인가 만드는 것을 통한 기쁨을 얻게 해주는 값진 장난감이다. 하지만 모래만을 이용해서는 크고 멋진 작품을 만들기는 어렵다. 푸석푸석한 모래에 적당량의 물을 섞어 알갱이들을 붙여주어야 한다. 오늘은 고무 밴드처럼 모래 알갱이를 서로 잡아당겨 묶기도 하고 흩어지게도 하는 물의 성질을 알아보는 실험을 해보자.

종이컵이나 플라스틱컵의 바닥에 송곳으로 빨대보다 지름이 조금 작은 구멍을 뚫는다. 그리고 주름진 음료수 빨대의 구부러지는 쪽을 최대한 구부리고 그 상태가 유지되도록 셀로판테이프로 고정한다. 빨대를 짧은 쪽 길이보다 2㎝정도 더 길게 자르고 컵의 구멍에 끼우기 쉽도록 끝을 날카롭게 자른다. 빨대를 끼우고 틈이 생기지 않도록 고무 찰흙이나 글루건으로 막는다. 컵의 바닥으로 나온 빨대의 긴 쪽을 짧게 자르면 요술컵이 완성된다.

●사이펀의 원리 생활에 응용

이제 컵에 물을 천천히 부어보자. 처음에는 일반 컵과 같이 차오르다가 일정 한계에 이르면 모두가 관을 타고 흘러내려 버린다. 이 요술컵에는 물을 넘치게 부을 수가 없다. 잔의 70% 이상 술을 채우면 모두 밑으로 흘러내리는 계영배(戒盈杯)와 같다.

요술컵은 사이펀의 원리를 이용한 것이다. 사이펀이란 용기를 기울이지 않고 액체를 높은 곳에서 낮은 곳으로 옮기는데 사용하는 구부러진 관을 부르는 이름이다. 가정에서 무거운 수족관 속의 물을 바꾼다거나 기름을 다른 용기에 옮기는 손펌프를 사용할 때, 그윽한 향의 커피를 우려내는 커피포트에서부터 깔끔한 마무리의 양변기까지 일상 생활에서 흔히 접하게 된다.

요술컵에서 물이 흘러내리는 원리를 살펴보자. 요술컵에 물을 빨대가 구부러진 높이까지 부으면 짧은 빨대의 안과 밖에서 물이 같은 높이로 채워진다. 요술컵의 바닥에 구멍이 나 있음에도 불구하고 긴 빨대 쪽으로 물이 넘어가지 않기 때문에 물이 아래로 새지 않는다. 하지만 물을 h보다 더 많이 부으면 빨대 안이 물로 가득 차게 되고 긴 빨대 안에 들어 있던 물이 중력에 의해 아래쪽으로 빠져 나가게 된다. 물이 빠진 만큼 빨대 내부에는 진공이 만들어진다. 따라서 빨대 안과 바깥에 압력차가 생겨 짧은 빨대 안으로 물이 계속 들어가 바닥이 보일 때까지 샌다.

그러면 물은 왜 빨대 안으로 빨려 들어가는 걸까? 물 분자가 수소결합에 의해 강하게 서로를 끌어당기고 있기 때문이다. 빨대 안쪽에 채워진 것이 물이 아닌 모래였다면 높은 곳으로 올라가 떨어지게 되더라도 더 이상 이어지지 않는다. 하지만 떨어지는 물 분자는 끊임없이 다른 분자를 잡아당기기 때문에 계속 떨어진다. 그래서 요술컵은 구부러진 관의 가장 위쪽까지 물이 차오른 순간부터 물이 떨어지기 시작해 관의 가장 낮은 부분에 물이 없어질 때까지 물이 떨어지는 것이다.

●표면장력… 거꾸로 해도 안 쏟아져

이번에는 거꾸로 해도 물이 쏟아지지 않는 마술컵을 만들어 보자. 종이나 플라스틱 컵과 양파를 묶는 망처럼 성긴 그물을 준비한다. 컵의 입구에 글루건을 바르고 망을 씌워서 붙인 후 모양대로 자른다. 그리고 컵에 물을 채워 손으로 막고 거꾸로 뒤집는다. 마술을 부리듯 서서히 손을 떼어 보자. 물이 쏟아져 내릴 것이라는 예상과는 달리 컵 속의 물은 쏟아지지 않는다.

물이 쏟아지지 않는 이유는 무엇일까? 망은 컵의 내부 쪽으로 밀려 둥근 모양을 하며 밀려 올라가 있다. 이것은 컵이 넘치도록 물을 넣어도 표면적을 작게 하여 둥그런 모양을 하며 넘치지 않도록 잡아당기는 표면 장력이 작용하기 때문이다.

김연숙 부평고교 교사