강 아래 강 Rio Abajo Rio

중국 대지진으로 가장 많이 회자되는 말이 타산지석이 아닌가 싶다. 사실 천재로 인해 최근 가장 큰 인명피해를 본 곳은 태풍으로 인한 미얀마이다. 그러나 중국 지진이 세간의 관심이 집중 되고 있는 것은 학교에서 많은 사상자들이 발생했다는 점과 지진은 사람을 죽이지 않는다, 다만 건축물이 그렇게 할 뿐이라는 암묵적 인재 인식 때문일 것이다. 물론 지진자체로 보자면 어쩔 수 없이 겪어야하는 천재임이 틀림없다. 중국의 대지진을 보고 우리나라도 언제 지진이 일어날지 모르는 상황에서, 현재 우리의 내진 설계에 대해 되짚어 보는 움직임이 필요하다.

도대체 마구 흔들어 대는 지진을 어떻게 피할 수 있단 말인가? 사실 지진을 피할 수는 없다. 다만 지진에 잘 견디기 위해서 건물을 어떻게 지어야 하느냐가 우리의 관건이다. 지진에 견디는 방법은 크게 내진(耐震)ㆍ면진(免震)ㆍ제진(制震)으로 구분할 수 있다. 한마디로 내진은 지진력을 구조물의 내력으로 감당해내자는 개념이고, 면진은 지진력의 전달을 줄이자는 개념이며 제진은 지진력에 맞대응을 하자는 능동적 개념이다.

우선 내진의 핵심은 철근콘크리트 내진벽으로 건물을 단단하게 하자는 것이다. 그러나 “강하면 부러지기 쉽다”는 옛말도 있듯이 지진이 나면 사람들이 대피할 정도의 시간을 벌어주는 지연 효과는 있을지 몰라도 건물은 금이 가거나 파괴되어 나중에 사용할 수는 없다. 이 방법을 보통 내진설계라고 하며, 광의의 개념으로 면진과 제진의 개념을 포함하기도 한다.

면진은 지진을 면한다는 뜻으로 이해하면 쉽다. 예를 들어 건물에 바퀴달린 신발을 신긴다거나, 스카이 콩콩처럼 스프링을 달았다고 상상해보자! 지진이란 땅이 흔들리는 것이다. 그러므로 흔들리는 땅과 건물을 분리시켜, 건축물과 땅 사이에 진동충격 완충장치로서 볼 베어링이나 스프링, 방진고무 패드를 설치하여 땅의 흔들림의 양을 건물에 보다 적게 전달하는 방법이다. 짦은 주기의 지진파가 강하고 긴 주기의 지진파는 약하다는 성질을 이용해서 건물의 진동주기를 길게 만드는 것이다. 이때 지반과 건물의 연결부에 구조물을 삽입하여 건물의 고유진동주기를 강제적으로 늘리면 지진의 강주기 대역을 피할 수 있다.

솔직히 말해 현재의 면진방법은 건물과 땅이 완전히 분리된 것은 아니고 땅과 건물이 만나는 면을 최소로 한 것이다. 건물과 땅이 완전히 분리만 된다면 지진피해를 극소화 할 수 있겠지만 건물이 공중에 떠있지 않는 이상 이것은 불가능한 일이다. 또는 액체가 진동의 영향을 받지 않는다는 사실을 이용하여 건물을 배처럼 띄워서 짓자는 방법을 이야기하는 사람도 있다. 공상이라고 웃어넘길 수도 있겠지만 역사의 진보는 이러한 만화 같은 상상으로부터 출발했다.

1921년 일본 제국 호텔 건축 당시 건축부지는 무른 땅이었다. 일본 건축 관계자들은 지진에 안전치 못하다는 이유로 건축을 반대하였다. 그러나 미국 건축가 프랭크 로이드 라이트(Frank Lloyd Wright)는 “땅이 무르면 진동을 흡수해 더 안전하지 않은가? 건물이 반드시 땅에 고정 되어야 하는 이유는 무엇인가? 건물은 떠 있으면 안 되는가?"라고 역설하였고, 그의 주장은 제국 호텔이 1923년 일본 관동 대 지진을 견디어 냄으로써 입증되었다. 그러니 배처럼 떠 있는 건축물도 불가능하진 않으리라 생각된다.

진동주기를 구하는 공식 f=(1/2π)√(K/M)^주1에 따르면 건물이 무거울 때 진동주기가 짧아져 덜 흔들리게 된다. 지진이라는 적의 공격에 흔들림을 최소화하는 내진이나 면진은 수동적인 개념이라고 볼 수 있다. 반면, 적의 공격을 피하는 것이 아니라 대응하여 지진의 진동에 반대방향으로 건물을 움직이도록 하는 능동적인 방법도 있다. 이를 제진이라 한다.

제진은 진동의 반대방향으로 건물을 움직여 지진의 충격을 상쇄시키는 방법이다. 제진의 방법으로 힘을 발생시키느냐 감소시키느냐에 따라 소극적 방법과 좀 더 적극적인 방법으로 나뉜다. 즉, 구조물에 입력되는 지반진동과 구조물의 응답을 계산하여 이와 반대되는 방향의 제어력을 인위적으로 구조물에 가하거나, 입력되는 진동의 주기성분을 즉각적으로 분석하여 공진을 피할 수 있도록 구조물의 진동특성을 바꾸는 것이다.

예컨대, 진동이 발생하면 건물에 부착된 무거운 물체(TMD^주2)나 물(TLD^주3)이 건물의 진동주기와 같은 주기로 흔들려 진동을 제어하는 방법이 소극적 제진방법이라면, 진동이 발생하면 센서를 통해 컴퓨터에 전달되고 컴퓨터가 건물에 부착된 무거운 물체를 액츄에이터(actuator)로 움직이도록 하는 방식(AMD^주4)이 적극적 제진방법이다. 이 경우 TMD의 질량 추 무게는 건물 중량의 1/300 이상이 보통이며, 컴퓨터에는 지진시 질량 추의 움직임 판단을 위해 건축물 주변의 지진데이터나 건물의 고유진동 데이터 등이 기록된다.

최상의 공격이 방어일 수가 있으며, 공격과 방어가 조화를 이루어야 할 때가 있다. 이처럼 설계자도 설계할 때 내진설계의 세 가지 방법을 건물의 층수ㆍ용도(전망대 탑 또는 다리)ㆍ구조 등에 따라 선택적으로 혹은 복합적으로 사용한다.

현재 우리나라는 3층 이상에만 건축물에 내진설계가 의무화되어 있다. 그러나 우리나라도 지진의 안전지대가 아니기 때문에 최소한으로 규정 된 법에 얽매이거나 중국과 같이 경제성의 논리로 내진설계를 회피해서는 안 될 것이다. 또한 대형 건축물의 내진 설계에만 관심을 가질 것이 아니라, 소형건축물의 내진에도 세심한 주의와 관심을 가져야겠다.

글 : 이재인 어린이건축교실운영위원

주1) f=(1/2π)√(K/M) (f:진동주기(Hertz), K:딱딱함 정도, M:하중), 스프링 상수(M) 값에 의한 이론적인 진동수 값
주2) TMD (Tuned Mass Damper) : 동조 질량 댐퍼
주3) TLD (Tuned Liquid Damper) : 동조 액체 댐퍼
주4) AMD (Active Mass Damper) : 능동 질량 댐퍼

오랜만에 가족들과 나들이를 나온 양과장은 갑자기 내린 비로 근처 건물에서 잠시 몸을 피했다. 한참 뒤 비가 그친 뒤 나와 보니 공원 뒤 먼 산 앞으로 무지개가 걸려있었다.
“와, 아빠! 저기 무지개 좀 봐~ 너무 이뻐.”
“그러게… 비가 와서 오늘 나들이는 망쳤지만 대신 저렇게 예쁜 무지개를 봐서 정말 다행이다. 그치?”
“응! 그런데 아빠, 저 무지개 뚝 떼어다가 내방에 걸어 놨으면 좋겠다. 그럼 매일 볼 수 있을텐데…”
채원이의 반짝이는 눈을 보며 양과장은 좋은 생각이 떠올랐다.
“음, 채원이의 소원이 그렇다니 우리 집에서 무지개를 한번 만들어 볼까?”
“정말? 와~ 우리 아빠 최고!”
좋아하는 채원이의 모습을 보며 양과장은 물의 비중을 이용해서 무지개를 한번 만들어 봐야겠다는 생각을 했다.

많은 사람들이 물은 다 똑같은 물이라고 생각하지만 실제로 여러 가지 물을 한곳에 섞은 뒤 잘 지켜보면 섞이는 물도 있는 반면 기름처럼 층이 지는 물도 있다. 예를 들어 똑같은 물이지만 한쪽에 소금을 좀 넣은 뒤 맹물과 섞으면 두 물이 바로 섞이지 않고 소금물은 아래로 맹물은 위로 나눠져 층이 생기게 된다. 또한 뜨거운 물과 차가운 물을 섞으면 소금물에서와 같이 뜨거운 물은 위로 차가운 물은 아래로 나눠지게 된다.

이처럼 물이 나눠지는 이유는 물의 비중 때문이다. 비중이란 어떤 물질의 질량과, 이것과 같은 부피를 가진 표준물질의 질량과의 비율을 말한다. 즉 측정하기 어려운 물질을 물속에 넣은 뒤 넘치는 물을 모아 측정해 보면 해당 물체의 비중을 알 수 있게 된다. 비중은 온도와 기체의 압력에 따라 달라지며 밀도와 같은 말로 사용되기도 한다. 이때 비중의 기준이 되는 표준물질은 액체의 경우 4℃, 1기압 하에서의 물을 기준으로 사용하고 기체의 경우 0℃, 1기압 하에서의 공기를 사용한다.

물은 4℃, 1기압 하에서 비중이 1g/㎤이 되는데 비중값은 온도와 압력에 따라 다르다. -5℃에서 물의 비중은 0.99918g/㎤이며 100℃에서 물의 비중은 0.95858g/㎤이 된다. 이 미세한 비중의 차이 때문에 뜨거운 물과 차가운 물을 섞어 놓으면 층을 이루게 된다. 물론 뜨거운 물과 차가운 물 사이에 열교환이 바로 이루어져 열평형이 되면 비중이 똑같아 지기 때문에 층은 금방 사라지지만 열교환이 이루어지고 있는 동안에는 층을 볼 수 있다.

소금물의 경우도 이와 비슷하다. 소금물의 경우 물속에 소금이 녹아 있기 때문에 똑같은 질량을 가진 물에 비해 더 무겁게 된다. 0℃, 1기압 하에서 26%의 농도를 가진 소금물의 경우 밀도는 1.207g/㎤이다. 이와 동일한 조건에서 물의 밀도는 0.99987g/㎤이므로 소금물이 맹물에 비해 무거워 밑으로 가라앉게 되는 것이다.

그렇다면 맹물은 소금물보다 무조건 가벼울까? 대부분 맹물이 소금물보다 가볍지만 예외의 경우도 있다. 그것은 바로 바다 깊은 곳에 흐르고 있는 심층수다. 심층수는 수심 200m 이하 깊은 곳에 있는 물로서, 북대서양 그린랜드, 남극에서 발원하여 외부에 노출되지 않고 4,000년을 주기로 대서양, 인도양, 태평양을 순환하는 물이다. 심층수는 바닷물과 달리 맹물로 되어 있는데 햇빛이 도달하지 않는 심해저에서 2℃ 이하의 차가운 온도와 높은 수압, 그리고 물속에 섞어 있는 다양한 미네랄 성분 때문에 비중이 바닷물에 비해 매우 높다. 이 때문에 바닷물과 섞이지 않고 바다 깊은 곳에서 흐르게 되는 것이다.

그렇다면 이런 물의 비중을 이용해 어떻게 무지개탑을 쌓을 수 있을까?
소금 또는 설탕의 밀도를 다르게 하면 물의 비중을 이용한 예쁜 무지개탑을 만들 수 있다.


[실험방법]
준비물 : 투명한 용기(우유병이나 PET병), 종이컵 4~5개, 소금(또는 설탕), 숟가락, 물감, 스포이드

진행순서
1. 투명한 용기를 준비한다.
2. 준비된 종이컵에 같은 양의 물을 붓는다.
3. 종이컵에 숟가락으로 각각 소금(또는 설탕)을 넣고 잘 젓는다.
1번 컵 : 물, 2번 컵 : 물+소금(또는 설탕)1숟가락,
3번 컵 : 물+소금(또는 설탕)3숟가락, 4번 컵 : 물+소금(또는 설탕)6숟가락
4. 각각의 소금(또는 설탕)물에 물감을 넣고 섞는다.
5. 이렇게 준비된 물을 4번 컵, 3번 컵, 2번 컵, 1번 컵 순서대로 스포이드를 이용해서 투명 용기의 벽면에 대고 천천히 넣는다.
(물 붓듯 부으면 바로 섞여버리기 때문에 스포이드 등으로 물을 조심스럽게 넣어서 층이 생길 수 있도록 한다.)


글 : 양길식 과학칼럼니스트

지난 4월 미항공우주국(NASA)은 허블우주망원경 발사 18주년을 기념하여 허블사이트(hubblesite.org)에 다양한 은하충돌 사진들을 공개하였다. 천억 개 이상의 별이 모여 있는 거대한 은하들이 충돌하는 모습은 그야말로 격정적인 순간들을 보여준다. 사진 속에서는 아름답게 보이는 은하들의 충돌 모습이지만, 이로 인해 엄청난 변화가 우주에 일어나고 있다. 은하들의 충돌로 새로운 별들이 태어나기도 하고, 또 수많은 생명체가 사라지기도 한다.

20세기에 밝혀진 우주론에 의하면 우주는 빅뱅 이후에 계속해서 팽창하고 있다. 따라서 은하들은 일반적으로 서로 멀어지는 것이 정상이다. 그리고 멀리 있는 은하일수록 더욱 빠른 속도로 멀어져가고 있다. 이것이 현재 우리가 알고 있는 정상 우주론, 즉 우주 팽창 이론이다. 그런데 왜 은하들은 서로 멀어지지 않고 충돌하는 것일까?

모든 은하가 서로 멀어지는 것은 아니다. 은하들은 우주에 골고루 퍼져 있는 것이 아니라 무리를 지어 있다. 우리은하로부터 5백만 광년 거리 내에 있는 은하들을 국부 은하군(群)이라고 하는데, 이 은하들은 서로를 잡아당기는 인력 때문에 가까워지고 있다. 그러므로 우주 팽창 이론에서 말하는 멀어지는 은하는 국부 은하군에 속하지 않는 은하, 즉 서로의 중력이 작용하지 않을 만큼 충분히 먼 거리에 있는 은하들을 말한다.

참고로 우리은하에서 가장 가까이 있는 외부 은하인 안드로메다은하는 현재 우리은하와 조금씩 가까워지고 있다. 우리은하에서 가장 가까운 안드로메다은하까지의 거리는 약 200만 광년으로 지름 10만 광년인 우리은하 크기의 약 20배 정도 밖에 떨어져 있지 않다. 따라서 두 은하 사이에 작용하는 중력은 두 은하를 충분히 가깝게 접근시키기에 충분하다.

지구 지름보다 약 30배나 떨어진 곳에서 달이 지구를 돌고 있고, 태양까지의 거리가 지구 지름의 1만배 이상, 태양 지름의 100배 이상이라는 것만 보더라도 안드로메다은하와 우리은하가 중력적으로 얼마나 가까이 묶여져 있는가를 상상할 수 있을 것이다. 우리은하에서 멀리 떨어져 있는 은하들 중에서도 서로의 거리가 충분히 가까운 은하들은 서로 접근하여 충돌할 수 있다. 허블 망원경에 의해 포착된 은하 충돌 사진들이 바로 그것들이다.





보통 별과 별 사이의 거리는 몇 광년 정도로 은하들이 충돌한다고 해도 별과 별이 부딪히는 일은 거의 없을 것이다. 하지만 우주에는 우리 눈에 보이는 물질만 존재하는 것이 아니다. 실제로 우리 눈에 보이는 물질은 우주에 존재하는 물질의 단 4% 정도에 지나지 않는다. 나머지는 암흑 물질이나 암흑 에너지 같이 눈에 보이지 않는 물질들이다. 은하들이 충돌할 때 이런 암흑 물질, 암흑 에너지가 충돌하기도 하고, 별과 별 사이에 존재하는 거대한 성운들이 서로 부딪히면서 수많은 별들을 만들기도 한다.

지난해 12월 미항공우주국(NASA)은 은하 중심의 블랙홀에서 방출된 방사능 입자들이 인접한 은하와 충돌하는 모습을 최초로 관측하였다고 발표하기도 하였다. 대부분의 은하들은 그 중심에 태양 질량의 백만 배에 가까운 거대한 블랙홀을 갖고 있다. 일반적으로 블랙홀은 모든 물질을 흡수한다고 알려져 있지만, 블랙홀 주변에서는 회전축을 중심으로 감마선과 X선과 같은 엄청난 에너지가 분출된다. 이것을 제트(Jet) 에너지라고 하는데 은하 충돌 시에 거대한 블랙홀에서 방출된 이 에너지들은 수천 광년에서 수백만 광년 떨어진 곳까지 분출되기도 한다. 만일 그 같은 에너지들이 지구와 충돌한다면 오존층과 자기장이 파괴되면서 지구에 있는 모든 생명체가 사라지는 최악의 상황이 벌어질 수도 있다.

안드로메다은하가 우리은하에 접근하는 속도는 초속 100㎞ 이상이다. 이 속도로 두 은하가 접근한다면 앞으로 약 30억년 후에는 서로 충돌하게 될 것이다. 우리가 전혀 예측할 수 없는 수십 억년 후의 일이긴 하지만, 충돌할 경우 우리은하계에 어떠한 생명체도 존재하기 힘들어질지 모른다.

비록 은하는 아니지만 길이 1만 광년 정도 되는 거대한 우주 구름이 우리은하를 향해 접근하고 있다는 관측결과도 발표되었다. 스미스 구름이라고 알려진 이 성운은 약 수 천만년 후에 우리은하의 한쪽 귀퉁이에 충돌할 것으로 알려져 있다. 하지만 블랙홀을 가진 은하가 아니기 때문에 이 충돌로 인해 우리 지구의 생명체에 큰 변화가 있을 것으로는 예상되지 않는다.

은하의 충돌이 우주의 큰 변화라는 것은 분명한 일이다. 하지만 그 충돌을 걱정하기 보다는 우주의 자연스런 변화로 받아들이고, 우주의 신비를 밝히는 노력을 계속해야 할 것이다.

글 : 이태형 대전시민천문대장