건물 속 신비한 과학 원리 🔮

건물 속 신비한 과학 원리 🔮

우리는 삶의 많은 부분을 건물 안에서 보내고 있는 만큼, 건축은 인간의 삶과 밀접하게 연관되어 있습니다. 건물은 우리의 소중한 보금자리가 되기도 하고, 일터가 되어주기도 하는데요, 이번 기사에서는 건물 속 신비한 과학 원리와 함께 실생활에서 유용하게 사용할 수 있는 팁을 전수해 드리기 위해 공대생과의 인터뷰를 진행하였습니다! 😊

SK Careers Editor 이예진

 

 

 

 

 

안녕하세요, 한양대학교 기계공학과에 재학 중인 정수웅입니다. 제가 공부하고 있는 열/유체역학  과목들은 우리의 생활에 연관이 매우 깊은데요, 인터뷰를 통해 우리의 생활과 건물 속에 숨은 과학 원리에 대해 설명해 드리고, 나아가 생활에서 적용할 수 있는 작은 팁들을 몇 가지 알려드리려 합니다.

 

 

 

가장 대표적인 것으로, 태양광 발전과 모듈러 공법이 있습니다. 건설 기계들과 설비를 가동하기 위해서는 많은 전력을 필요로 하는데요, 최근 건설 현장에서는 이러한 전력의 일부를 태양광 발전을 통해 보다 친환경적으로 확보하려는 노력을 하고 있습니다. 한편, 모듈러 공법은 쉽게 말해 레고 블록처럼 조립해서 건물을 짓는 방식입니다. 문, 벽, 창틀 등 공간 단위 유닛을 공장에서 미리 제작하고, 이를 현장에서 하나씩 쌓아 올리며 건물을 짓습니다. 이러한 방식은 일반 건축 공법보다 훨씬 공사 기간을 단축할 수 있고, 주요 자재의 80% 이상을 재활용할 수 있다는 것이 큰 장점입니다. 그뿐만 아니라, 건설 현장에서 발생하는 소음과 먼지 등도 크게 줄일 수 있고, 현장 작업을 최소화하여 안전사고 발생률도 낮출 수 있다는 점 또한 장점으로 꼽을 수 있습니다.

 

 

 

내진 설계는 지진이 발생했을 때 건물에 전달되는 진동을 줄이거나, 버틸 수 있도록 건물을 설계하는 것을 의미합니다.

내진 설계에는 크게 세 가지, 내진구조, 제진구조, 면진구조 라는 방식이 적용됩니다. 내진 구조는, 좌우 진동에 건물이 대응할 수 있도록 건물 내부의 가로축을 튼튼하게 하는 구조입니다. 다만 이 경우, 건물의 무게가 증가하기 때문에, 고층 건물에서는 적용하기 어렵다는 단점을 갖고 있습니다.

제진 구조는, 땅으로부터 건물에 전달되는 진동을 감지하여 이에 대응하는 힘을 반대 방향으로 작용시켜 흔들림을 막는 구조입니다. 대표적으로 동조질량감쇠기를 이용하는 방법이 있습니다. 이는 건물이 흔들릴 때, 옥상 등에 설치된 무게 추를 같이 흔들리게 하는 방법으로, 이때 발생한 관성력을 통해 지진으로 전달된 외력을 일부 상쇄시킬 수 있습니다.

한편, 앞서 말씀드린 두 구조가 지진력을 버티는 데 중점을 둔 것과 달리, 면진 구조는 지진력 자체를 줄이는 설계입니다. 건물과 땅 사이에 고무 스프링, 댐퍼, 베어링 등을 설치하여, 지진에 의한 힘이 건물에 전달되는 정도를 줄일 수 있습니다. 이러한 설비들이 진동의 감쇠를 발생시켜, 진폭을 줄이는 원리입니다.

 

 

 

우선, 이러한 냉방 장치에 대해 설명드리겠습니다. 에어컨은 물질의 상태가 변화할 때 주변의 열을 흡수하고 방출하는 원리를 이용합니다. 건물 내의 에어컨에는 증발기라는 장치가 있는데, 냉매가 이 증발기를 지나며 상온에서 증발하는 현상이 일어납니다. 냉매가 기체로 변하면서 주변의 열을 흡수하고 증발기 주변의 공기가 차가워지는데요, 에어컨은 이 공기를 실내로 분사하여 실내의 온도를 낮춥니다. 문제는 에어컨을 계속 가동하기 위해서는, 이 기체 상태의 냉매를 다시 압축하고, 팽창시키는 과정을 통해 순환시켜야 한다는 점입니다. 압축기를 지나며, 냉매는 고온 고압의 가스가 되고, 응축기를 지나며 주변으로 열을 방출합니다. 이 열을 실외로 방출시키는 것이 실외기의 원리이기 때문에, 실외기를 창문 밖으로 설치하는 것입니다.

 

 

 

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이는 대류현상 때문입니다. 앞서 설명드렸듯이, 에어컨의 원리는 응축기 주변의 공기를 차갑게 하여 이 공기를 분사시키는 장치입니다. 이 공기가 실내를 순환하며 전체적인 온도를 낮춰 주는 것입니다. 이처럼 기체나 액체를 매질로 한 열전달 방식을 대류라고 합니다. 온도가 더 높은 공기는 상대적으로 밀도가 더 낮기 때문에 위로 가려는 성질이 있고, 낮은 공기는 밀도가 더 높아 아래로 가려는 성질이 있습니다. 이처럼 온도가 서로 다른 공기들이, 밀도 차에 따라 흐름이 생기게 되는 데 이것이 대류의 원리입니다. 그래서 에어컨 날개 방향을 위로 올리면, 이 대류 현상이 더욱 빠르게 일어나 실내의 온도를 더 효율적으로 낮출 수 있습니다.

 

 

 

엘리베이터에는 크게 로프가 있는 방식, 없는 방식으로 나눌 수 있습니다. 우리가 사용하는 대부분의 건물은 로프식으로 작동합니다. 로프식 엘리베이터의 원리는 간단한데요, 엘리베이터 카와 균형추를 로프로 연결하여 끌어올리는 방식입니다. 그런데 엘리베이터 카는 상당히 무겁기 때문에 이를 끌어올리려면 상당히 많은 힘이 필요할 것 같은데요, 이러한 힘을 줄여주는 장치가 바로 움직 도르래 입니다. 움직 도르래는 회전축이 고정되지 않고 이동하는 도르래로, 절반의 힘으로 하중을 지탱할 수 있다는 장점이 있습니다. 다만, 이러한 힘의 이득이 있는 만큼 전기 모터를 더 많이 회전시켜줘야 한다는 단점이 있습니다. 그럼에도 불구하고, 더 적은 힘으로 엘리베이터를 운전하기 위해 주로 채용하는 방식입니다.

로프 없이 작동하는 엘리베이터도 있는데요, 대표적으로 유압식 엘리베이터가 있습니다. 유압식이란, 기름과 같은 비압축성 유체를 펌프 등으로 압출할 때 토출 압력을 강하게 하여, 강한 힘을 얻을 수 있는 원리입니다. 쉽게 말씀드리면, 주사기를 들 수 있습니다. 주사기의 피스톤 부분은 면적이 더 넓고, 바늘 부분은 면적이 좁은데요, 피스톤을 적은 힘으로 밀더라도, 바늘 부분을 통해 액체가 더욱 강한 힘을 갖고 나올 수 있는 것과 같은 원리입니다.

 

 

 

혹시 세면대에서 배관이 U자 모양으로 되어있는 것을 보신 적 있나요? 이는 사이펀의 원리라는 방법으로 작동합니다. 화장실 내의 사이펀 관 U자 형태로, 압력 차이를 이용해 물을 위쪽으로 흐르게 하는데요, 이 관이 수면보다 아래에 있으면, 수면에 작용하는 대기압으로 물이 밀려 올라갑니다. 이 물이 올라가며 반대쪽 끝으로 떨어집니다. 일단 물이 떨어지기 시작하면 공기의 압력 때문에 남은 물이 관을 따라 계속 흐르게 되는 방식입니다.

수세식 변기에도 과학적 원리가 숨어 있습니다. 오늘날 화장실은 손잡이만 내려도 자동으로 물이 내려가고 차오르는데요, 이는 지렛대의 원리를 이용합니다. 손잡이를 누르면, 물탱크 바닥에 있던 마개가 들어올려지고, 수압에 의해 변기로 물이 내려갑니다. 수압은 물이 차있는 높이에 비례하기 때문에, 물이 내려가면 물탱크 내의 수압이 낮아지고, 수압이 높은 급수관의 물이 물탱크로 들어오면서 급수관과 물탱크의 압력이 같아질 때까지 차오르게 됩니다.

 

 

 

건물은 구조뿐만 아니라, 내부에 파이프, 냉난방 시설 등 다양한 설비들이 갖춰져 있습니다. 전기 설비도 그중 하나인데요, 일본 등의 나라와 우리나라의 콘센트 모양이 다른 이유는, 사용하는 전기 설비가 약간 다르기 때문입니다. 우리나라는 220V 전원을, 일본은 110V 전원을 사용하기 때문에, 이 전원을 사용하기 위한 콘센트 모양도 다릅니다. 원래도 우리나라 또한 110V 전원을 사용하였으나, 1973년부터 시작된 승압사업에 따라, 2005년에 이르러서는 모든 건물에서 220V 전원을 사용합니다. 220V 전원의 장점은 손실 전력이 적다는 점입니다. 발전소에서 우리가 사용하는 전자제품에 전기를 보낼 때는 저항 때문에 항상 손실이 발생합니다. 이때 손실되는 전력은 전압의 제곱에 반비례한데요, 우리나라가 일본보다 2배 높은 전압으로 송전하기 때문에 전력 손실은 1/4로 줄어들게 됩니다. 이러한 이유로 발전소에서 건물까지는 220V보다 훨씬 높은 전압으로 송전하는데요, 이 전기를 우리가 사용할 수 있는 220V로 바꿔주는 것을 변압이라고 하며, 이를 위한 변압기 또한 건물에 숨어있습니다.

 

 

 

우선 소리에 대해서 설명드리겠습니다. 소리가 전달되는 원리는 공기를 매질로 진동이 전달되기 때문인데요, 건물 벽이 이 진동을 충분히 흡수하지 못하면 층간 소음이 더욱 느껴질 수밖에 없습니다. 예를 들면 딱딱한 마룻바닥의 재질은 진동을 잘 흡수하지 못하여 층간 소음을 증가시키는 원인 중 하나가 됩니다. 또한 공동주택의 대부분은 벽식 구조로 지어지는데요, 이러한 구조는 시공 난이도나 비용을 낮출 수 있지만 소리가 반사되는 판이 다른 구조에 비해 많아 소음에 취약합니다. 반면 바닥 면을 구성하는 시멘트 몰탈과 슬래프 사이에 친환경 플라스틱인 발포 폴리프로필렌 (EPP)처럼 충격 진동을 완화하는 소재로 보충해 주면 이러한 소음 완화에 큰 도움이 됩니다.

 

건물 속 과학 원리와 실생활 에코 팁까지 알차게 전해주신 정수웅 인터뷰이님께 감사의 인사드립니다. ☺️ 우리 일상의 많은 부분을 보내는 건물에 대한 여러 가지 궁금증을 해소할 수 있었던 유익한 시간이었습니다. 그러면 저는 다음 기사도 흥미로운 주제로 찾아뵙도록 하겠습니다! 😊