끈 없이도 완벽 고정！골판지를 묶는 “쐐기”의 물리학 (라이프핵)
사이언스트레이너 구와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
택배가 도착할 때마다 방 한쪽에 점점 쌓여가는 골판지 상자들. 끈으로 묶어보려 해도 잘 고정되지 않아 와르르 무너진 적 있으신가요? 사실 이 고민은 비닐끈 하나 없이도 해결할 수 있습니다. 게다가 그 원리를 들여다보면, ‘쐐기’가 만들어내는 흥미로운 물리학까지 숨어 있죠. 오늘은 제가 평소에도 자주 사용하는 쉽고 친환경적인 골판지 정리 비법을 소개해 드리겠습니다.
끈 없이 골판지를 한 번에 정리하는 방법
먼저 정리할 골판지 상자들을 모아 주세요.
그중에서 가장 큰 골판지 상자를 하나 선택합니다.
상자의 덮개(날개) 부분을 한쪽만 안쪽으로 접어 주세요.
네 면을 모두 접은 뒤, 접은 면이 아래를 향하도록 세워 놓습니다.
여기서 중요한 점은 접힌 덮개와 상자 본체 사이에 V자 모양의 틈이 생긴다는 것입니다.
이 틈에 다른 골판지들을 밀어 넣습니다. 가능한 한 깊숙이 넣어 주세요.
그러면 아주 단단하게 고정되어 쉽게 빠지지 않습니다. 끼워 넣은 골판지를 들어 올려도 전체가 함께 들릴 정도입니다. 정말 신기하죠. 실제로 들어 올려 보았습니다.
나머지 골판지들도 같은 방식으로 V자 틈에 차례차례 끼워 넣습니다.
이 상태만으로도 충분히 단단하게 고정됩니다. 실제로 들어 올려도 빠지지 않습니다.
다만 이 모양 그대로는 수거하시는 분들이 들기 불편할 수 있어서, 저는 마지막에 비닐끈을 한 바퀴 둘러 운반하기 쉽게 만들어 둡니다.
이제 분리수거 장소에 가져가기만 하면 끝입니다. 정말 간단하죠?
V자 틈이 만들어 내는 놀라운 고정력
그렇다면 왜 이것만으로 이렇게 단단히 고정될까요? 사실 이 원리는 도끼가 나무에 박혀 잘 빠지지 않는 것과 같습니다. 장작을 패다 보면 도끼가 중간쯤 박혀 좀처럼 빠지지 않는 경험을 해 보신 적이 있을 겁니다.
V자 틈에 골판지를 밀어 넣으면, 끼워 넣은 골판지가 양쪽 V자 벽을 바깥쪽으로 밀게 됩니다.
밀어 넣는 힘 자체는 아래쪽을 향하지만, V자 벽은 기울어져 있기 때문에 그 힘은 벽에 대해 수직 방향으로 작용하게 됩니다(빨간 화살표).
빨간 화살표는 골판지가 벽을 미는 힘, 초록 화살표는 그 합력을 나타냅니다.
그 반작용으로 끼워 넣은 골판지는 양쪽 벽으로부터 서로 반대 방향의 수직항력을 받게 됩니다. 즉, 양쪽에서 단단히 눌려 끼워지는 구조가 되는 것이죠. 보통이라면 이 반작용의 합력 때문에 골판지가 위쪽으로 밀려 빠져나올 것 같지만, 실제로는 그렇지 않습니다.
골판지끼리의 마찰계수가 비교적 큰 것도 이유지만, 쐐기 모양 구조에서 발생하는 강한 수직항력 덕분에 골판지 사이의 마찰력이 크게 증가하기 때문입니다.(마찰력 = 마찰계수 × 수직항력)
수직항력이 커질수록 최대 마찰력도 함께 커집니다(그림의 빨간 화살표). 그림 속 힘 하나하나는 작지만, 이런 현상이 V자 구조 전체에서 동시에 일어나기 때문에 모두 합치면 매우 큰 힘이 됩니다. 그래서 밀어 넣을 때는 쉽게 들어가지만, 빼려고 하면 좀처럼 빠지지 않는 강력한 고정력이 만들어지는 것입니다.
이 원리는 작은 마찰력이 모이면 큰 힘을 만들어 낸다는 칫솔 실험과도 비슷합니다.
칫솔 두 개를 맞물리면 칫솔모 하나하나의 마찰력은 매우 작지만, 수많은 칫솔모가 접촉 면적을 넓히고 수직항력을 크게 만들어 무거운 바나나 송이도 들어 올릴 수 있습니다.
사실 ‘수직항력이 커질수록 마찰력도 커진다’는 원리는 우리 주변의 다양한 곳에서 발견할 수 있습니다.
예를 들어 씨름 선수들이 체격을 키우는 것도 이 원리와 무관하지 않습니다. 몸무게가 늘어나면 땅을 누르는 힘(수직항력)이 커지고, 그에 비례해 발바닥과 경기장 사이의 마찰력도 증가합니다. 상대와 힘겨루기를 할 때 쉽게 밀리지 않는 이유는 단순히 근력이 강해서만이 아니라, 커진 마찰력의 도움도 받기 때문입니다.
이번 골판지 정리 비법 역시 바로 이 ‘수직항력을 높여 마찰력을 키운다’는 아이디어를 생활 속에서 활용한 좋은 예입니다. 기울어진 벽을 이용해 아래로 누르는 힘을 옆으로 누르는 압력으로 바꾸는 구조가 바로 쐐기입니다. 도끼가 나무에 박혀 잘 빠지지 않는 이유도, 문고정용 도어스토퍼가 바닥과 문 사이에서 단단히 고정되는 이유도 모두 같은 원리입니다.
저는 식탁보 빼기와 마찰력의 관계도 흥미롭게 생각해서 예전에 조사한 적이 있습니다. 관심 있으시다면 함께 읽어 보세요.
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