시속 200km 람보르기니의 도전! 12m 테이블보 뽑기의 과학 (TBS “네이처 티처”) [과학 감수・출연]
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
제가 과학 감수와 출연으로 참여한 프로그램 「지구 전체 대실험 네이처 티처」가 TBS에서 1월 18일에 방송되었습니다.
초콜릿 플래닛의 두 분과 timelesz 멤버들이 온몸을 던져 도전하는 대실험 버라이어티 프로그램입니다. 각 분야의 전문가들을 한자리에 모아 과학적으로 어려운 과제에 도전한다는 취지의 프로그램인데요. 이번에 도전한 것은 지금까지 아무도 도전해 본 적 없는, 무려 12m 길이의 식탁보 빼기였습니다.
저는 이 프로그램에서 물리학 전문가, 그중에서도 마찰을 전문으로 하는 과학자로 출연했습니다.
「물리학에 미친 사람」이라는 소개까지 받았는데요. (예전에는 다른 프로그램에서 「매드 사이언티스트」라고 불린 적도 있습니다.)
이렇게 놀림을 받기는 했지만, 그건 잠시 잊어두기로 하고요. 과학적인 역할을 맡게 되었기 때문에 로프의 길이와 식탁보를 당기는 방법 등을 계산하고 예비 실험도 하면서, 기획 회의 단계부터 함께 참여했습니다. 방송되기 전까지는 저도 전체 내용이 어떻게 구성될지 알 수 없고 단편적인 내용만 알고 있었는데, 실제로 완성된 프로그램을 보니 정말 재미있고 훌륭한 결과물이 되어 있었습니다. 역시 방송 제작진은 대단하네요.
식탁보 빼기는 단순한 마술이나 쇼가 아니라, 물리학 그 자체입니다. 아이부터 어른까지 누구나 쉽게 관심을 가질 수 있으면서도, 그 안에 담긴 본질적인 물리학에 대한 흥미를 끌어낼 수 있는 정말 좋은 주제입니다. 저 역시 재미있고 신기한 과학의 세계를 사회와 함께 나누고, 과학을 즐기는 호기심을 키워가기를 바라는 마음으로 활동하고 있습니다. 그래서 이번 제안을 받았을 때 꼭 도전해 보고 싶었습니다.
저는 예전부터 식탁보 빼기의 물리학적 연구를 해왔습니다. 하지만 12m나 되는 긴 식탁보로 실험해 본 적은 당연히 없었고, 규모도 워낙 컸기 때문에 이 기획을 들었을 때부터 가슴이 두근거렸습니다. 예전부터 대규모 과학 실험을 무척 좋아했기 때문에, 영상으로 보았던 10m 식탁보 빼기를 넘어 12m에 도전한다는 사실에 정말 흥분했습니다.
프로그램에서는 초콜릿 플래닛의 나가타 씨와 마쓰오 씨에게 직접 수업을 할 기회도 얻었습니다.
예전에 다른 프로그램에서 초코플래닛 두 분을 만난 적이 있어 과학에 대한 관심이 높다는 것은 어느 정도 알고 있었습니다. 이번에는 실제로 다양한 실험 도구를 활용하면서 수업을 진행해 보았습니다. 방송에서는 아쉽게도 편집되어 나오지 않았지만, 달마 낙하 놀이를 해보기도 하고, 호버크래프트 실험을 하기도 하고, 평범하게 수업을 진행하기도 하면서 어떻게든 이해시키려고 열심히 노력했습니다.
그중에서도 이번 실험의 핵심인 「관성」에 대해 조금 설명해 보겠습니다. 관성이란 「정지해 있는 물체는 계속 정지해 있으려고 하고, 움직이는 물체는 계속 움직이려고 하는 성질」을 말합니다. 일상생활에서 이런 경험을 해본 적 없으신가요?
버스가 갑자기 출발할 때: 몸은 「그 자리에 계속 멈춰 있으려고」 하지만, 발만 마찰력 때문에 버스와 함께 앞으로 움직입니다. 그래서 몸이 뒤로 끌려가는 것처럼 기울게 됩니다.
버스가 갑자기 멈출 때: 몸은 「계속 움직이려고」 하지만, 발은 버스와 함께 멈추기 때문에 몸이 앞으로 쏠리면서 넘어질 것처럼 느껴집니다.
장난감 「달마 낙하 놀이」 역시 이러한 관성을 이용한 실험 중 하나입니다. 아래쪽 블록을 빠르게 쳐서 빼내면 위에 놓인 달마는 「그 자리에 계속 멈춰 있으려고」 하기 때문에 아래로 툭 떨어집니다.
식탁보 빼기도 바로 이와 같은 원리입니다. 식기를 원래 자리에 그대로 남겨두고 싶은 것이죠. 하지만 현실에서는 「마찰력」이라는 방해꾼이 등장합니다. 식기와 식탁보 사이에는 마찰이 있기 때문에 식탁보를 잡아당기면 식기도 함께 끌려가려고 합니다. 마찰력이 신기하고 재미있는 점은 정지해 있을 때 마찰력이 점점 커지다가, 최대 정지 마찰력이 정지 마찰 계수와 수직항력에 의해 결정된다는 것입니다. 접촉하는 면의 크기도 관계가 있을 것 같지만, 실제 공식에는 접촉면의 크기 등이 포함되지 않습니다.
또 하나 신기한 점은 이번 실험과 관련이 있는 동마찰력입니다. 동마찰력은 식탁보가 움직이는 속도에 관계없이 그 크기가 거의 변하지 않는다는 성질이 있습니다. 경험적으로는 그렇게 나타나지만, 왜 그런지에 대해서는 미시적인 수준에서 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 알고 보면 정말 신기한 힘이죠. 프로그램에서는 마찰력이 생기는 원인을 표면의 요철 때문이라고 설명했지만, 실제로는 그 밖에도 여러 가지 요인이 있습니다.
・원자 수준의 결합을 끊어내는 힘 (응착설)
・상대 물질을 밀어내고 파고들며 진행하는 힘
등이 있습니다. 이 가운데서는 응착설이 가장 큰 관련이 있다고 생각됩니다. 자세한 내용은 이 글에 정리해 두었으니 참고해 주세요. TV 프로그램의 실험에서는 칫솔 두 개를 서로 결합하는 것만으로도 그 마찰력을 이용해 무려 3kg의 추를 들어 올릴 수 있었습니다.
또한 마찰력을 크게 만드는 방법을 알아보기 위해 자동차 견인 실험도 진행했습니다. 같은 동력을 가진 자동차 두 대를 연결하고, 한쪽 자동차에 어떤 장치를 하면 이길 수 있는데, 과연 어떻게 해야 할까요? 자세한 내용은 아래 글에서 확인해 보세요.
우리가 걸을 수 있는 것도, 자동차가 멈출 수 있는 것도 모두 이 마찰력 덕분입니다. 과학의 세계에서는 마찰을 자유롭게 조절하는 기술도 계속 발전하고 있습니다.
컬링: 얼음 표면을 매끄럽게 다듬어 마찰을 극한까지 줄입니다.
호버크래프트: 공기를 이용해 떠오르게 하여 수직항력을 줄이고 마찰을 작게 만듭니다.
초전도 자기부상열차: 자기력으로 차량을 띄워 마찰을 0에 가깝게 줄임으로써 시속 500km를 실현합니다.
이번 도전의 성패는 얼마나 「마찰을 줄이고 관성을 최대한 활용할 수 있는가」에 달려 있었습니다.
식탁보 빼기를 성공시키는 4가지 포인트
그래서 프로그램에서 초콜릿 플래닛 두 분께 제안한, 12m 길이의 식탁보를 뽑아내기 위해 찾아낸 전략은 다음 네 가지였습니다.
압도적인 속도 동마찰력이 작용하는 시간을 극한까지 줄입니다. 한순간에 뽑아내면 식기가 움직일 틈을 주지 않습니다.
주름을 만들지 않는다 식탁보에 주름이 생기면 그 주름이 「벽」처럼 되어 식기를 밀어버립니다. 핵심은 식탁보를 잡는 위치와 당기는 방법에 있습니다.
질량이 큰 식기 가벼운 플라스틱 컵보다는 무거운 유리 접시가 「계속 멈춰 있으려는 힘, 즉 관성」이 크기 때문에 성공하기 쉽습니다.
잘 미끄러지는 소재 동마찰 계수가 작은 매끄러운 천을 선택하는 것이 필수입니다.
보다 자세한 내용은 아래 글도 함께 참고해 주세요.
계산이 만들어 낸 「시속 200km」의 근거
그렇다면 실제로 어느 정도의 속도가 필요할까요? 일반적인 식탁에서 성공한 사례를 영상으로 분석해 보니, 약 「0.20초」 만에 식탁보를 뽑아냈을 때 성공 확률이 높다는 것을 알 수 있었습니다. 이를 12m 길이에 적용해 계산하면 필요한 속도는 초속 60m. 즉, 시속 216km입니다.
「시속 200km로 당겨야 한다」
이것이 이번 도전에서 세운 엄청난 목표치가 되었습니다. 이 목표를 실현하기 위해 뛰어난 가속 성능을 가진 슈퍼카 람보르기니를 준비해 주셨습니다.
준비와 예비 실험
１．로프 길이 계산
일반 자동차의 가속 성능(최대 가속도 약 10m/s²라고 가정)을 바탕으로 역산하면 시속 200km에 도달하기 위해서는 약 151m의 주행 거리가 필요합니다. 여유를 두고 200m 길이의 로프를 준비해 달라고 부탁드렸습니다.
２．최강의 천 「토요플론」
마찰 대책으로 도레이 주식회사가 개발한 「토요플론」이라는 특수 섬유를 초코플래닛 두 분께 준비해 달라고 부탁드렸습니다. 마찰 계수가 매우 작은 꿈의 천이지만, 약간 무게가 있다는 점이 걱정되었습니다. 무게가 있는 것이 식탁보를 뽑아내는 속도에 어떤 영향을 줄지, 또 주름이 얼마나 쉽게 생길지는 실제로 실험해 보기 전에는 알 수 없는 부분이었습니다. 개발자인 시바타 씨도 이날 함께 와주셨습니다.
３．예비 실험(2m)
먼저 2m 길이의 토요플론으로 실험했습니다. 계산상 식기가 움직이는 거리는 이론적으로 0.21cm였습니다. 실제로 람보르기니로 당겨 보니…… 식기의 이동 거리는 불과 3cm였습니다. 주름도 생기지 않았고, 정말 놀라운 결과가 나왔습니다. 대성공입니다!
「이건 가능하겠어!」
저와 시바타 씨에 더해 식탁보 빼기의 달인 마술사 JOE・MAGIC(조마지) 씨, 다카하시 레이싱의 다나베 씨까지 함께해 주셨습니다. 전문가들이 한자리에 모여 모두 힘을 모아 도전에 임했습니다.
본 실험, 그리고……
드디어 12m 본 실험입니다. 람보르기니가 굉음을 내며 가속하고, 시속 200km의 속도로 식탁보가 순식간에 당겨졌습니다. 결과는……
어? 어어? 어어어!!! 완전, 완전 대실패!!! 식기는 테이블 위에 그대로 남아 있기는커녕, 화려하게 공중으로 튀어 올라가 버렸습니다. 저는 그 순간 그대로 주저앉아 쪼그려 앉고 말았습니다.
그래도 스튜디오의 두근거림 지수는 93점이라는 높은 점수를 받았습니다. 전국의 초등학생들이 이 실험을 보며 두근두근 즐거워했기를 진심으로 바랍니다.
왜 실패했을까? 실험에서 얻은 데이터
VTR을 느린 화면으로 재생해 분석해 보니, 실패의 원인이 보이기 시작했습니다.
거대한 주름의 발생
식탁보 양쪽에서 커다란 「주름」이 발생했고, 그 주름이 파도처럼 밀려오면서 식기를 아래에서 밀어 올리는 형태가 되어 식기가 공중으로 날아가 버린 것입니다. 이 주름이 생긴 원인을 VTR에서 자세히 살펴보니 아래쪽에서 공기가 들어오고 있었던 것으로 보입니다. 테이블의 연결 부분, 즉 상판의 이음새가 원인일 가능성이 있다는 결론에 도달했습니다. 상판을 더욱 매끄럽게 하나로 연결해 두었어야 했던 것입니다.
또한 식탁보를 뽑아낼 때 앞쪽에 막대를 놓는 방법도 개선할 필요가 있었다고 생각합니다. 이 막대가 높은 위치에 있었기 때문에 공기가 들어갔다는 사실도 VTR을 통해 확인할 수 있었습니다.
게다가 준비해 주신 식기가 너무 가벼웠던 것도 개선해야 할 점 중 하나입니다. 식기를 어느 정도 무겁게 만들어 관성을 키우고 주름에도 버틸 수 있도록 했다면 성공 확률을 더욱 높일 수 있었을 것 같습니다. 예를 들어 접시 위에 사과를 올려놓거나, 나이프와 포크는 사용하지 않는 방법 등을 생각해 볼 수 있습니다.
【한 번만 더 기회를!】
대단히 어려운 일이지만, 12m 길이의 테이블 상판을 이음새가 없는 한 장의 판으로 만들거나, 식탁보 아래에 다른 천을 깔아 그 천을 고정해 두는 방법 등도 생각해 볼 수 있습니다. 실험에는 실패가 따르는 법! 한 번만 더 도전하고 싶습니다!!
처음에는 당연히 한 번 더 도전할 수 있을 것이라고 생각했지만, 여러 가지 사정으로 인해 기회는 단 한 번뿐이었고, 결국 여기서 도전이 끝나고 말았습니다. 정말 아쉬움이 많이 남습니다. 하지만 새로운 데이터를 하나 더 얻었다고 생각한다면, 이것 역시 의미 있는 실험이었다고 생각합니다.
매일이 실험입니다.
촬영 일정 때문에 기회는 단 한 번뿐이었습니다. 다시 도전하지 못한 것은 정말 아쉽지만, 이것 역시 현실입니다.
실험에는 「실패」가 없습니다. 있는 것은 그저 「원하는 결과가 나오지 않았다는 데이터」뿐입니다. 12m라는 미지의 영역에 계산과 이론으로 도전했고, 예상하지 못했던 「주름」이라는 물리 현상에 가로막혔습니다. 이 경험은 다음 성공으로 이어지는 확실한 한 걸음이 될 것입니다. 우리의 일상도 마찬가지입니다. 예상대로 되지 않는 일이 생기더라도, 그것은 소중한 데이터입니다. 만약 다시 이런 기회를 얻는다면, 이번에 얻은 데이터를 바탕으로 다음에는 반드시 성공시켜 보이겠습니다!
기타
공식 사전 프로그램 영상도 공개되어 있었습니다.
저 역시 사전 영상에 잠깐 등장했습니다.
히로세 스즈 씨와 함께 진행했던 전기 증명서 실험도 추천합니다! 이 실험도 함께 살펴보세요.
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