플라스틱 컵으로 재현하는 지진! 액상화 현상은 ‘입자 크기’가 결정한다
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
지진 뉴스를 보다가 튼튼해야 할 건물이 기울어지거나, 맨홀만 지면 위로 솟아오르는 장면을 본 적이 있나요? 그 정체는 바로 땅이 마치 액체처럼 움직이는 「액상화 현상」입니다. 이번에는 플라스틱 컵이라는 아주 친숙한 도구를 이용해, 교실에서도 재현할 수 있는 액상화 실험을 해보았습니다.
플라스틱 컵을 이용해 액상화 현상을 실험해 보았습니다. 컵 안에는 모래, 모래보다 입자가 작은 흙, 모래보다 입자가 큰 자갈을 각각 준비했습니다. 100ml 비커에 모래를 가득 채운 뒤 컵으로 옮겨 담는 방법으로, 총 20개의 컵을 준비했습니다.
실험 준비와 지진을 일으키는 방법
컵에 담은 모래에 물을 조금씩 부어 전체가 촉촉해지도록 합니다. 이때 표면에 물이 고이면 티슈로 표면의 물을 살짝 닦아내고, 표면은 마른 상태로 만들어 둡니다. 그런 다음 컵을 좌우로 흔들어 지진을 일으켜 봅니다.
10개 조가 있기 때문에 각 조에 컵을 2개씩 나누어 주고, 그중 하나의 컵만 흔들어 봅니다.
흔들기 전
흔든 후
이처럼 흔들기 전과 후를 비교해 보면 물이 표면으로 배어나오는 것을 확인할 수 있습니다. 그런데 여기서 중요한 포인트가 하나 있습니다. 흔들기 전과 흔든 후의 높이가 거의 같다는 것입니다.
「겉보기에는 높이가 같은데, 물만 빠져나오는」 이유
사실 바로 이 「높이가 변하지 않는다」는 점이 액상화 현상의 본질을 보여줍니다. 모래알과 모래알 사이에는 원래 작은 틈이 있고, 그 틈에는 물이 스며들어 있습니다. 지반이 흔들리지 않을 때는 모래알들이 서로 맞물리면서 단단하게 지탱하고 있고, 그 틈 사이에 물이 갇혀 있는 상태입니다.
그런데 지반이 좌우로 흔들리면 모래알끼리 맞물려 있던 구조가 순간적으로 무너지면서 입자들이 서로 떨어져 움직이기 쉬운 상태가 됩니다. 그러면 입자 사이에 갇혀 있던 물이 밀려나듯 지표면으로 스며 나옵니다. 전체적인 부피, 즉 높이는 거의 변하지 않는데도 지지력을 잃은 물만 위로 올라오는 것, 이것이 바로 액상화가 일어나는 원리입니다.
「입자의 크기」가 모든 것을 좌우한다
흙으로 실험해 보면 액상화가 별로 나타나지 않습니다….
자갈로 실험해 보면 액상화는 거의 일어나지 않았습니다.
재미있는 점은 모래보다 입자가 작아도 액상화가 잘 일어나지 않고, 반대로 입자가 굵어도 잘 일어나지 않는다는 것입니다. 정말 알면 알수록 흥미로운 현상이죠.
이 결과는 액상화가 「딱 알맞은 입자 크기」를 가진 지반에서 특히 잘 일어난다는, 지질학적으로도 중요한 특징을 보여줍니다. 입자가 아주 작은 흙, 즉 점토질 토양은 입자끼리 전기적인 힘 등에 의해 서로 달라붙기 쉽고 입자 사이의 틈도 매우 작습니다. 따라서 물이 그 틈을 이동하기 어렵기 때문에 지반이 흔들려도 물이 쉽게 빠져나오지 않는 것으로 생각할 수 있습니다.
반대로 입자가 굵은 자갈은 입자 사이의 틈 자체는 크지만, 입자들이 울퉁불퉁하게 서로 걸려 단단하게 맞물려 있기 때문에 어느 정도의 흔들림으로는 구조가 쉽게 무너지지 않습니다. 그 중간 정도의 입자 크기를 가진 「모래」는 구조가 무너지기 쉬우면서도 물이 움직이기 쉬운 특성을 동시에 가지고 있기 때문에 액상화가 가장 쉽게 일어나는 것입니다.
실제 지진 피해에서도 매립지나 강 주변의 모래 지반에서 액상화 피해가 많이 보고되는 것은 이러한 입자 크기의 조건과 깊은 관련이 있습니다.
참고로 이것은 수조를 이용해 실험해 본 모습입니다. 플라스틱 컵을 사용할 때보다 훨씬 역동적인 실험을 할 수 있지만, 각 조마다 하나씩 준비하려면 조금 번거롭겠네요.
흔들기 전.
흔든 후.
모래와 진흙, 같은 「땅」인데 이렇게 다르다
이번에는 모래 대신 진흙을 넣고 같은 방법으로 실험해 보았습니다. 그 결과 모래에 비해 진흙에서는 액상화가 잘 일어나지 않는다는 것을 확인할 수 있었습니다.
이쪽이 진흙을 흔들기 전입니다.
흔든 후.
모래와 진흙은 모두 「땅」처럼 보이기 때문에 겉보기에는 비슷하지만, 입자의 크기와 구성 성분이 전혀 다르기 때문에 지진에 대한 취약성 역시 크게 다릅니다. 플라스틱 컵 하나, 입자의 종류 하나만 바꾸어도 결과가 확 달라지는 이 실험은 우리가 평소 아무 생각 없이 밟고 다니는 「땅」이 사실은 아주 섬세한 균형 위에 존재한다는 사실을 알려줍니다.
문의 및 의뢰 안내
과학의 신기함과 재미를 더욱 가까이에서 만나보세요! 집에서도 할 수 있는 재미있는 과학 실험과 그 요령을 알기 쉽게 소개하고 있습니다. 다양한 실험을 검색해 보세요!
・「과학의 네타장」의 내용이 책으로 출간되었습니다. 자세한 내용은 여기
・운영자 쿠와코 켄에 대해서는 여기
・각종 의뢰(집필・강연・실험 교실・TV 자문・출연 등)는 여기
・새 글 업데이트 소식은 X에서 확인하세요!
과학의 네타 채널에서는 실험 영상을 공개하고 있습니다!
９月のイチオシ実験！
お弁当箱をプラバンがわりにしてキーホルダーを作ろう！
テレビ番組監修・イベント等のお知らせ
- ８月２７日（木）科学監修番組放送予定
- ９月２０日（日）ダビンチマスターズ出演予定
- １０月１０日（土）11:15~12:00 千葉市科学フェスタ2026「桑子先生の回転科学ショー」にてサイエンスショーを行います。
- 12月26日（土） ナリカサイエンスアカデミー（教員向け実験講習会）開催
書籍のお知らせ
- 『高校入試 分解問題集 理科』（学研）…難しい問題も小さな問題に分解することで、問題を解くことができます。そんな分解の技術が身につくように深く関わりを持って作りました。
『大人のための高校物理復習帳』（講談社）…一般向けに日常の物理について公式を元に紐解きました。特設サイトでは実験を多数紹介しています。※増刷がかかり６刷となりました（2026/02/01）
- 『きめる!共通テスト 物理基礎 改訂版』（学研）… 高校物理の参考書です。イラストを多くしてイメージが持てるように描きました。授業についていけない、物理が苦手、そんな生徒におすすめです。特設サイトはこちら。
各種SNS（更新情報をお届け！）
【日本語】X(Twitter)／instagram／Facebook 【英語】BlueSky／Threads
Explore
- 楽しい実験…お子さんと一緒に夢中になれるイチオシの科学実験を多数紹介しています。また、高校物理の理解を深めるための動画教材も用意しました。
- 理科の教材… 理科教師をバックアップ！授業の質を高め、準備を効率化するための選りすぐりの教材を紹介しています。
- Youtube…科学実験等の動画を配信しています。
- 科学ラジオ …科学トピックをほぼ毎日配信中！AI技術を駆使して作成した「耳で楽しむ科学」をお届けします。
- 講演 …全国各地で実験講習会・サイエンスショー等を行っています。
- About …「科学のネタ帳」のコンセプトや、運営者である桑子研のプロフィール・想いをまとめています。
- お問い合わせ …実験教室のご依頼、執筆・講演の相談、科学監修等はこちらのフォームからお寄せください。
