[신나는 과학이야기] 불타는 종이기둥 왜 떠오를까

팽창한 공기가 상승기류 만들어

가지 끝마다 부드럽고 여린 새싹이 돋아나 싱그러움을 더해가는 계절이다. 붉은 진달래와 노란 개나리, 하얀 목련은 바라만 봐도 눈이 즐겁다. 꽃비가 내리는 거리를 꽃향기에 취해 걷다 보면 몸이 가벼워져 두둥실 떠오르는 것만 같다. 흔들거리며 피어오르는 아지랑이는 봄의 정취에 한 층 더 빠져들게 한다. 소리없이 올라가는 것이 아지랑이뿐이겠는가? 몇 가지 간단한 재료를 가지고 봄의 기류를 느껴 보자.

종이기둥을 태워 상승기류를 만들어 종이를 띄우고 있다.

먼저 마술을 보여 준다면서 분위기를 띄워 볼 수 있는 실험을 하나 해보자. 선물포장으로 이용되는 습자지를 준비한다. 차를 우려내고 난 뒤 티백을 말려서 사용해도 된다. 습자지의 한쪽 모서리에 풀칠을 해 동그랗게 말아 원기둥을 만든다. 평평한 바닥에 흔들려 넘어지지 않도록 세우고 습자지 원기둥 윗부분에 불을 붙인다. 서서히 타내려가는 불꽃을 바라보면서 각자 희망하는 것을 마음속으로 기원하도록 유도한다. 습자지 원기둥이 다 타기 직전 남은 종이 기둥은 위로 둥실 떠오르게 된다. 습자지 기둥을 손바닥 위에 올려놓고 해보면 더욱 극적이다. 손바닥에서 종이 기둥이 다 타버려 살이 데일까 걱정할 필요는 없다. 종이 기둥이 다 타기 직전 남은 종이 기둥은 떠오르게 된다.

이유는 무엇일까? 종이 기둥의 윗부분에 불을 붙이면 종이가 타면서 열이 발생한다. 이 열은 종이 기둥 위쪽의 공기를 데워 팽창시킨다. 공기가 위로 상승하면 일시적으로 습자지 윗부분의 공기 밀도가 낮아진다. 즉, 상승 기류가 생긴 것이다. 차차 종이 기둥이 타 들어감에 따라 상승 기류는 점점 강해지고, 남은 종이 기둥은 기류를 타고 위로 둥실 떠오르는 것이다. 습자지가 모두 연소되면 남은 재는 다시 아래로 내려온다.

상승 기류를 이용하면 종이 회전목마를 만들 수 있다. 너무 무겁거나 얇지 않은 재질의 종이 위에 원을 그린다. 원의 중심에 지름 1㎝ 정도의 작은 원을 그린 다음, 지름을 4개 그어 원을 8개의 부채꼴로 나눈다. 각 부채꼴 안에 하나씩 모두 8개의 삼각형을 그린다. 큰 원의 바깥 부분을 가위로 오려내고 8개의 삼각형을 칼로 잘라, 삼각형의 잘린 면을 45도 정도로 구부린다. 작은 원의 중심에 구멍을 뚫고 실을 끼워 매듭을 만든다. 색종이에 말그림을 오려 원의 사방에 연결해 꾸민다. 종이컵으로 촛대를 만들어 고정시키고 만든 종이 회전목마를 촛불 중심 위에 올려 놓으면 회전 목마는 서서히 돌게 된다.

촛불 위의 종이 회전목마는 왜 회전하는 것일까? 양초에 불을 붙이면 촛불이 연소하면서 이산화탄소, 수증기와 함께 열이 발생한다. 열은 촛불 주변의 공기를 데운다. 따라서 더운 공기가 불꽃 위로 올라가 일시적으로 촛불 주변의 공기 밀도가 낮아진다. 이때 차갑고 산소가 풍부한 주변의 신선한 공기가 촛불 주변으로 모인다. 액체와 기체 같은 유체는 열의 전도율이 작기 때문에 물질이 열을 직접 가지고 이동함으로써 전달된다. 이를 대류 현상이라고 한다. 촛불 위에 상승 기류가 도화지의 기울어진 삼각형 면에 닿아 잘라낸 부분으로 빠져나온다. 이때 생긴 힘 때문에 도화지가 회전할 수 있다. 한편 불꽃 모양이 뾰족한 이유도 이런 대류 현상 때문이다. 즉 촛불의 열 때문에 뜨거워진 공기가 위로 계속 올라가면서 주변의 공기가 불꽃 아래로 모여들기 때문에 불꽃 모양이 위쪽을 향해 뾰족해 지는 것이다. 그러나 우주선 내부와 같이 중력이 없는 곳에서는 이와 같은 대류 현상이 나타나지 않기 때문에 고른 비율로 연소되면서 불꽃이 구 모양이 된다.

김연숙 부평고 교사