강 아래 강 Rio Abajo Rio

“통~ 토로로로, 통~ 토로로로”
“엄마 요 공은 참 말썽꾸러기 같아요. 공을 던지면 막 아무 데나 통통 튀겨요.”
“우리 채원이가 심심해서 탱탱볼 가지고 놀고 있었구나?”
정여사는 계속 탱탱볼을 튀기고 잡으러 다니는 다섯 살 채원이를 보며 말했다.
“응. 그런데 엄마 다른 공들은 다 말 잘 듣는데 왜 이 공은 청개구리처럼 말도 안 듣고 말썽부릴까?”

갑작스러운 채원이의 질문에 정여사는 어떻게 대답해야 할지 잠시 고민했다.
“음 그건 아마도 탱탱볼이 처음 튀는 연습을 할 때 자기 마음대로 튀는 연습만 해서 그런가 봐. 제대로 튀고 싶은데 자기 맘대로 안 되니 탱탱볼도 속상하겠다. 그지?”
“아~ 그러니까 너 탱탱볼아 처음 걸음마 배울 때 제대로 배웠어야지~”
"그래 맞아 채원이 말대로 처음 시작할 때 잘 배워야지. 요 말썽꾸러기 탱탱볼아“
“호호호” “까르르~”

정여사는 채원이에게 과학적인 설명보다는 동화 같은 마음으로 설명해 주는 것이 옳을 것 같아 저렇게 설명했지만 왜 탱탱볼은 일반 공과 달리 이리저리 맘대로 튀기는 것일까?

그것은 바로 탱탱볼이 가지고 있는 탄성과 마찰력 때문이다. 탱탱볼은 그 소재 자체가 물렁물렁하면서도 탄성이 매우 좋을 뿐만 아니라 마찰력도 다른 공에 비해 매우 높다. 이 때문에 공을 튀길 때 바닥에 작은 돌멩이나 턱이 있어도 미끄러지지 않고 바닥과 접촉하는 순간 볼이 일그러지면서 강한 탄성을 낸다.

즉 일반 공을 바닥으로 튀길 때는 중력의 수직 방향으로 마찰력이 발생하며 이때 발생하는 마찰력은 공이 나가고자 하는 방향의 힘보다 강하지 않다. 이 때문에 공을 바닥에 그냥 튀기거나 한쪽으로 회전을 줘 튀긴다 하더라도 좌우로 튀지 않고 공의 회전 방향으로 안정적으로 튀기며 가게 된다.

하지만, 탱탱볼은 마찰력이 매우 강하기 때문에 공이 바닥에 부딪히는 순간 진행 방향으로 가는 힘을 상쇄시키며 진행 방향에 반대되는 회전력이 발생하게 된다. 이 때문에 탱탱볼을 바닥에 튀기거나 회전을 줘 던지면 탱탱볼은 회전 방향으로 튀기는 것이 아니라 앞으로 갔다 뒤로 가거나 좌우로 흔들리며 튀기게 되는 것이다.

탱탱볼은 가까운 문방구에서 저렴한 가격으로 구입할 수도 있지만 집에서도 아이들과 손쉽게 만들 수 있다.

이번 주말에는 아이들과 탱탱볼을 만들어 같이 가지고 놀아 보는 것은 어떨까?

[실험방법]
준비물 : 종이컵 두 개, 물 100mL, 붕사 2숟가락, 색소(없어도 무방), P.V.A 계열 풀
         (붕사는 약국에서 쉽게 구입할 수 있으며 풀은 문방구에 판다)
[실험순서]
1. 종이컵에 물을 부은 뒤 붕사를 넣고 완전히 녹을 때까지 젓는다.
   이때 탱탱볼 색상을 가지고 싶다면 색소를 조금 넣는다.
2. 다른 종이컵에는 P.V.A 풀을 넣어 둔다.
3. 풀이 있는 통에 붕사 녹인 물을 조금씩 넣어가며 젓가락으로 잘 저어준다.
   이때 풀을 많이 넣으면 탱탱볼 만들 때 밀가루 반죽처럼 잘 늘어나지만 굳는데 시간이
   더 많이 걸린다.
4. 계속 젓다 보면 젤리 같은 고체 덩어리들이 만들어지는데 이 고체 덩어리들을 잘 건져 내 모아 둔다.
5. 다 건져 내면 손으로 동글동글 굴리며 모양을 만든다.
6. 어느 정도 단단해지면 깨끗한 바닥에 튀겨본다.
   (덜 마른 상태에서 먼지나 모래가 많은 곳에서 튀기면 탱탱볼에 먼지나 모래가 박힐 수 있으니 깨끗한 곳에서 먼저 튀겨 잘 튀는지 확인한다.)

[실험 Tip]
- 탱탱볼을 만든 뒤 남은 붕사와 풀을 가지고 다양한 비율로 섞어 보는 것도 좋다.
- 붕사를 물에 녹일 때 붕사를 적게 넣으면 탱탱볼이 잘 튀겨지지는 않지만 바닥에 놓으면 평평하게 펴진다. 어느 물체 위에 올려놓으면 흘러내리는 것을 볼 수 있다.

글 : 양길식 과학칼럼리스트

인천에서 초등학생이 실종 된 지 며칠 만에 한 저수지에서 시신으로 발견되었다. 범인은 이웃집에 사는 사람으로 시신이 발견된 후 검거되었다. 경찰의 수사 결과 어린이는 범인에 의해 유괴되어 살해된 것으로 밝혀졌다. 범인은 자신의 범행이 탄로날까 봐 피해자를 목 졸라 살해한 후 저수지에 유기하였다고 진술했다. 하지만 일반적으로 익사체에 대해 실시하는 플랑크톤 검출 여부 시험 결과는 그의 파렴치함을 증명하였으며 많은 사람들의 치를 떨게 하였다.

사건 수사에서 익사와 익사 위장의 판단은 사건을 정확하게 규명하는데 매우 중요할 뿐만 아니라 수사의 방향을 설정하는 데도 매우 중요하다. 이를 판단하기 위하여 여러 가지 과학적 방법이 사용되는데, 법의학적으로 시신에서 나타나는 특징을 관찰하는 방법과 플랑크톤 검출 여부를 시험하는 것이 가장 일반화된 방법이다. 시신의 몸에 특별한 외상이 있는 경우 타살되어 유기된 시신이라는 것을 쉽게 판단할 수 있지만, 특별한 외상이 없는 경우 이를 판단하기가 어려울 수도 있다.

먼저 익사의 정의를 알아보면, 익사는 기도 내에 공기 대신 액체가 흡인되어 일어나는 질식사를 말한다. 익사는 액체를 흡입하여 질식사한 물 흡인성 익사와 흡인이 없이 수중에서 사망한 건성 익사가 있다. 물 흡인성 익사는 대부분의 익사에 해당되며 건성익사의 경우 수중 쇼크사라고도 하며 혈액순환장애 또는 생리적 원인 등에 의해 발생한다. 자살한 경우도 흡인성 익사에 해당된다.

익사한 시신에서 나타나는 법의학적 특징은 비공(콧구멍) 및 구강에 백색 거품이 생기고 (익수가 기관지 점막을 자극한 결과), 흉부가 팽대하며, 선홍색 시반 등이 나타난다. 부검 내부 소견으로는 폐가 팽창되어 좌우 폐의 안쪽이 접할 정도로 팽대되는 익사폐 현상 등이 나타난다. 따라서 이러한 법의학적 소견이 있는 경우 일단 익사한 것으로 판단할 수 있으나 좀 더 확실한 판단을 위하여 각종 장기에서 플랑크톤 검출 여부 시험을 한다.

사람이 깊은 물 속에 빠지게 되면 처음에는 무의식적으로 숨을 쉬지 않으려 하지만 어는 정도 시간이 지나면 숨을 참지 못하고 숨을 쉬게 되어 기도로 물이 흡인된다. 이렇게 기도로 물이 들어가게 되고 폐 등에 물이 차게 되면 의식을 잃고 만다. 호흡이 정지되고 얼마의 시간이 지나게 되면 뇌에 산소가 공급되지 않아 가사 상태에 빠졌다가 완전히 호흡이 멈추어 사망하게 되는 것이다.

물에 빠져 자살을 한 경우도 이러한 익사 과정을 거치게 되는데, 익사 과정에서 폐포로 유입된 물에는 다양한 종류의 그리고 많은 수의 플랑크톤이 존재한다. 이들 물과 같이 흡인된 플랑크톤은 폐포를 뚫고, 혈류를 타고 온몸을 돌며 각 장기에 박히게 된다. 하지만, 사망 후에 물에 투수 된 경우 즉, 누군가에 의해 죽임을 당한 후 물에 유기된 경우는 숨을 쉬지 않기 때문에 체내로 물이 흡인되지 않아 각 장기로 플랑크톤이 들어갈 수 없다. 따라서 이들 장기에서 플랑크톤 검출 시험을 하게 되면 사망 후에 물에 유기된 것인지 또는 생전에 물에 빠진 것인지를 판단할 수 있게 되는 것이다.

플랑크톤 검출 시험은 모든 플랑크톤을 검출하는 것은 아니다. 조직에 박혀 있기 때문에 이를 모두 검출하는 것은 불가능하다. 조직에 들어가 있는 플랑크톤을 검출하기 위해서는 조직을 녹여야 하는데 이때 강산을 처리하기 때문에 다른 플랑크톤 종류는 모두 녹아 없어지고 강산에도 녹지 않는 규조류만 남게 된다. 따라서 현미경 관찰 시 실제로 관찰되는 것은 규조류가 주를 이룬다.

플랑크톤 검출 시험에 사용되는 장기는 부검 시 적출된 간장, 폐장, 심장, 신장, 비장 등의 조직을 사용한다. 이들 장기를 일정량 채취하여 질산 등의 강산을 가한 후 하룻밤을 방치한다. 어느 정도 조직의 붕괴가 일어나면 열을 가하여 이들을 완전히 용해시킨다. 완전하게 용해된 것을 원심침전하게 되면 남아 있는 규조류가 바닥에 가라앉게 된다. 이를 여러 번 증류수로 닦은 뒤 적은 양의 증류수로 녹여 일정량을 채취하여 현미경을 관찰한다. 현미경 관찰을 통하여 검출된 규조류의 종류 그리고 개체 수를 판단한다. 플랑크톤이 검출되면 익사한 것으로 즉, 자살한 것으로 판단할 수 있고 플랑크톤이 검출되지 않으면 물에 빠지기 전에 사망한 것으로 판단할 수 있다. 즉, 누군가에 의해서 죽임을 당한 후 물속에 유기된 것으로 판단할 수 있는 것이다.

폐조직 같은 경우는 사망 후 물에 유기된 경우에도 수압에 의해 약간의 플랑크톤이 들어갈 수 있어 적은 수의 플랑크톤이 검출되는 때도 있다. 이런 경우 개체 수와 다른 조직에서의 플랑크톤 검출 여부를 더 관찰하여 최종적으로 판단하게 된다.

플랑크톤은 또한 지역에 따라 주로 분포하는 종이 다를 수 있어 시신의 유기 장소 등을 판단하는 데 사용될 수 있다. 즉, 바다 등에 분포하는 것과 민물 등에 주로 분포하는 종이 다르며, 같은 서식지일지라도 주서식종이 다를 수 있다. 따라서 시신이 발견된 곳의 물을 같이 채취하여 익사체에서 발견되는 종과 비교를 하면 그곳에서 사망한 것인지를 판단할 수 있게 되는 것이다.

위의 사건에서 범인은 끝까지 “목 졸라 살해한 후 시신을 유기하였다.”라고 하였지만, 플랑크톤 검출 실험 결과 각 장기에서 플랑크톤이 검출되어 범인의 잔인성이 드러나게 된 것이다. 즉, 범인은 어린이를 살아 있는 상태에서 저수지에 유기한 것으로 드러난 것이다.

글 : 박기원 박사(국립과학수사연구소 유전자분석과 실장)

“주형아, 네 나이가 몇인데 변기에 물을 자꾸 흘려보내면서 장난이니? 얼른 나오지 못해?”
엄마의 호통에도 주형이는 아랑곳하지 않고 변기의 밸브를 한 번 더 당겨 물을 흘려보낸다. 이 모습을 본 엄마는 화장실로 가서 주형이를 끌고 나올 태세다.
“엄마, 화장실 물을 보면 최면에 걸리는 것처럼 어지러워요. 물이 왜 이렇게 빙글빙글 돌아요?”

지켜보던 엄마도 어느새 변기 속의 물을 보면서 홀린듯하다.
“지구의 자전 때문이란다.”
엄마의 대답에 주형이는 믿을 수 없다는 듯 말했다.
“지구가 돈다고 변기 물이 돌아요?”
“그럼~ 세면대나 욕조에서 물이 빠질 때도 마찬가지야. 일명 코리올리 효과라고 하지.”

“코리올리요?”
“응. 천천히 설명해 줄게. 코리올리 효과란 19세기에 프랑스의 물리학자 코리올리(Gustave Gaspard Coriolis)가 알아낸 효과인데, 일반적으로 북반구에서 남쪽으로 대포알을 쏘면 원래 쏜 방향보다 오른쪽으로 떨어지는 현상을 말한단다. 이런 식으로 물이 변기 속으로 내려갈 때 북반구에서 오른쪽으로 돌면서 내려가고, 반대로 남반구에서는 왼쪽으로 돌면서 내려간다는 원리지.”

“우와~ 너무 신기해요. 하루에도 몇 번씩 무심코 들락날락했는데… 그렇게 심오한 원리가 있을 줄이야!”
“하지만 변기 물이 소용돌이를 치면서 내려가는 현상이 코리올리 효과라는 것에 대해서 의견이 분분해. 북반구에서 변기 물을 내리면서 물속에 손을 넣어 왼쪽으로 살짝 돌리면 소용돌이는 왼쪽으로 생기거든. 그러니까 북반구라고 해서 항상 변기 물이 오른쪽으로 소용돌이치진 않는다는 거지.”

“아직 확실한 결론은 없나 보죠? 그럼 아까 말씀하셨듯이 포탄의 경우는 코리올리 효과가 확실한가요?”
“그렇지. 세면대나 욕조, 변기 등의 작은 소용돌이는 지구의 자전보다는 다른 요소들의 영향을 받을 가능성이 크단다. 예를 들면 용기의 좌우 높낮이가 비대칭일 경우 물이 내려가면서 작용하는 힘이 달라지겠지. 그러나 수십 km 멀리 포탄을 쏠 때처럼 큰 규모일 경우에는 지구 자전에 의한 코리올리 효과가 나타나.”

거실에서 신문을 읽으면서 화장실에서 들리는 대화를 조용히 듣고 있던 아빠가 주형이에게 퀴즈를 내듯 말했다.
“주형아, 그럼 변기의 밸브를 내린 다음에 물이 위쪽으로 어떻게 나오는 걸까? 항상 같은 위치까지 물이 올라오잖아.”
“아… 당연하다고 생각해 왔는데 말씀 듣고 보니 신기하네요. 오늘은 화장실이 마치 과학실인 것 같아요. 헤헤~”

“알고 보면 생활 구석구석 과학이 자리 잡고 있지? 중세 시대에는 길거리에 분뇨 구덩이가 있었기 때문에 전염병이 성행했어. 수세식 변기가 발명되었지만 분뇨 냄새가 역류하는 문제점은 좀처럼 해결되지 않았단다. 그러다가 18세기에 영국의 수학자 커밍(Alexander Cumming)이 배수 파이프를 위쪽으로 구부려 밑에서 올라오는 냄새를 차단하는 물을 저장하는 방법을 생각해낸 거야.”

“으악, 길거리에 분뇨가 있었다고 상상하니까 끔찍하네요. 그런데 배수 파이프를 위쪽으로 구부리면 물이 어떻게 올라오죠?”
“그걸 바로 사이펀(siphon)의 원리라고 한단다. 사이펀이란 높은 곳에 담겨 있는 물을 낮은 곳으로 옮기는 데 사용하는 구부러진 관을 말해. 원래 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르지만 사이펀에서는 높은 곳의 물이 더 높은 곳을 지나 낮은 곳으로 내려오지. 이렇게 될 수 있는 이유는 높은 곳에 있는 물의 표면에 공기의 압력이 작용해 물을 밀어내기 때문이야.”

주형이 머리는 복잡해졌다. 그 표정을 읽은 아빠는 주형이에게 그림을 그려주었다.



“물을 끌어올리려면 변기 속에 펌프가 달렸나요?”
“하하. 변기 안에는 요렇게 생긴 조용한 진공 곡관이 숨어 있단다. 물의 높이에 의해 기압차가 발생하여 물이 위쪽으로 흐르게 하는 것이지. 사이펀 관이 물 표면보다 아래에 있으면 수면에 작용하는 대기압으로 인해 관 안으로 밀려 올라가. 물이 굽은 곳 돌아서 다른 쪽 관으로 통과만 하면 공기의 압력 때문에 남아있는 물은 관을 따라 계속 흐르고. 그러니까 주형이가 변기 밸브를 누르면 변기물탱크 속 물이 밀려 내려와 곡관을 넘게 되고 변기 속 물이 빨려 내려가게 되지. 그리고는 다시 곡관 높이까지만 물이 차게 된단다.”

주형이는 화장실 변기에 고여 있는 물과 아빠가 그려준 그림을 번갈아 보고 있었다. 아빠는 그런 주형이의 모습을 빙그레 웃으며 바라보았다.
“주형아, 우리 집 수족관 청소할 때 쓰는 물 펌프도 사이펀의 원리를 이용한 거야. 수족관 위치를 옮기지 않아도 물 펌프로 수족관 물을 교체할 수 있지.”

갑자기 다용도실로 달려간 주형이가 물 펌프를 가져왔다.
“아~ 그래서 손잡이 부분까지 물을 빨아올리면 손잡이를 놔도 계속 물이 흘러 내려가는 거군요.”
“맞아, 이왕 얘기가 나온 김에 물 펌프도 자세히 볼 겸 우리 수족관 청소 한번 할까?”
“네! 좋아요.”

글 : 이재인 박사(어린이건축교실 운영위원)