[신나는 과학이야기] 집에서 ‘미니 열기구’ 만들기

2월이 되면서 날이 포근해진 걸 몸으로 느끼게 된다. 길거리를 걷다 보면 아지랑이가 피어오르고 두터운 겉옷이 부담스러워지기도 한다. 불을 피울 때도 재가 불길 위에서 하늘로 날아가는 것을 볼 수 있다. 이러한 공기의 흐름을 잘 이용하면 하늘을 날 수도 있다.

하늘을 난다는 것은 비행기가 발명되기 이전부터 사람들이 갖고 있던 꿈이었다.1783년 프랑스의 몽골피에 형제는 뜨거운 공기가 위로 올라가는 것을 보고 ‘이런 현상을 이용하여 하늘을 날 수 없을까?’ 생각하다 드디어 열기구를 만들어 하늘을 나는데 성공했다. 사람이 탈 수 있는 열기구는 만들기 힘들지만 이 원리를 이용하여 간단한 열기구를 만들어 보자.

홍준의 서울 한성과학고 교사

우선,0.5∼0.7㎜ 정도의 가는 철사와 알코올(에탄올이나 메탄올), 성냥, 솜, 비닐, 펜치 혹은 니퍼, 투명테이프, 실, 알루미늄 호일 혹은 빈 음료수 캔을 준비한다. 철사를 비닐 입구의 양끝 길이 2배 정도로 자른 다음, 원을 만들어 철사 끝을 고정시켜 열기구의 바닥 틀을 만든다. 비닐 입구에 철사 틀을 끼우고 투명테이프로 접착시킨다. 빈 음료수 캔을 자르거나 알루미늄 호일로 그릇을 만들어 여기에 솜을 넣고 알코올을 부어 임시로 알코올 램프를 만든다. 솜에 불을 붙인 후, 비닐의 입구를 알코올 램프 위에 갖다 대고 뜨거운 공기를 채운 다음 가만히 놓아 본다. 이때 비닐이 불에 타지 않도록 조심한다. 알코올을 너무 많이 넣거나 램프의 입구가 넓으면 비닐이 타서 애써 만든 열기구가 손상될 수 있으니 조심해야 한다. 비닐이 공중으로 올라간 다음에 어떤 운동을 하는지 잘 관찰해 보자.

비닐로 만들 열기구가 뜨는 이유는 무엇일까?

이 실험에서 알코올을 묻힌 솜을 태우는 것은 열기구 비닐 안의 공기를 데우기 위해서다. 이를 통해 열기구 비닐 안의 공기는 비닐 밖의 공기보다 온도가 높아지면서 내부공기의 밀도가 작아진다. 기체는 온도와 압력에 따라 부피가 변한다. 온도가 높고, 압력이 낮을수록 공기의 부피는 커진다. 주위 압력이 일정할 때, 기체의 온도를 높여주면 기체의 부피가 커진다. 이때 공기는 부피가 커졌기 때문에 밀도가 작아진다. 이러한 밀도의 차이가 공기를 상승하게 하는 데 바로 이 힘이 열기구를 뜨게 만든 것이다.



비닐 봉지의 크기가 클수록, 봉지 안의 온도와 주변 공기의 온도 차이가 클수록, 봉지 자체의 무게가 가벼울수록 뜨는 비닐봉지의 상승력은 커지게 된다. 뜨거워져 상승한 공기가 식게 되면 밀도가 커져서 다시 바닥으로 내려오게 된다. 이렇게 열에 의해 공기 등이 이동하는 방식을 대류라고 한다. 이 실험은 바람이 없는 실내에서 실험하는 것이 좋지만, 화재에 주의를 해야한다. 젖은 걸레와 물을 담은 양동이를 준비하였다가 비닐 주머니가 불에 닿아 녹거나 불이 붙었을 때, 언제든지 불을 끌 수 있도록 만반의 준비를 해야 한다.

홍준의 한성과학고 교사