어른들의 어린시절, TV나 컴퓨터가 없었던 당시에 가장 인기 있는 장난감 중 하나는 고무줄 새총이었다. 멋모르고 가지고 놀던 고무줄 새총에도 과학의 원리인 '힘의 작용'이 숨어 있다.

#힘이란 무엇일까

고무줄 새총 놀이를 할 때 물체를 겨냥한 뒤 고무줄을 힘껏 잡아당긴다. 이때 우리는 힘이라는 것을 느낄 수 있다. 과학에서 말하는 힘이란 물체의 운동상태와 형태를 변화시키는 작용이다. 즉 정지하고 있는 물체를 움직이게 하고, 움직이고 있는 물체의 속도나 운동방향을 바꾸게 한다. 또한 자연상태의 물체 모양을 일시적으로 변형시키는 것도 힘의 작용이다. 수학공식처럼 힘을 명확하게 정의하기는 힘들지만, 우리는 곳곳에서 힘이 작용하고 있는 현상을 관찰할 수 있다. 우리의 일상에는 중력 마찰력 탄성력 자기력 전기력과 같은 여러 종류의 힘이 존재하고 있다. 그 중 고무줄이 가진 힘이 바로 탄성력이다.

#탄성 vs 탄성력

고무줄이나 용수철을 잡아당겨 보면 길게 늘어나서 그 형태가 변하고, 다시 손을 놓으면 처음 상태로 돌아간다. 아주 두꺼운 강철판이라 할지라도 양 끝을 잡고 힘껏 누르면 둥그렇게 휘어지는 형태 변화가 생겼다가 손을 놓으면 다시 원래의 상태로 돌아간다.

이와 같이 금속이나 고무 등은 외부에서 작용하는 힘에 의해 모양이 변형되었다가 힘이 사라지면 원래의 상태로 돌아오려는 복원력을 가지고 있다. 이러한 성질을 '탄성'이라 하며, 외부에서 작용하는 힘에 대해 다시 되돌아가려는 힘을 '탄성력'이라고 한다. 모든 물체는 어느 정도의 탄성을 갖고 있다. 특히 용수철, 고무줄, 고무공 등과 같이 탄성이 큰 물체를 탄성체라고 한다. 고무풍선과 고무줄을 비롯하여 볼펜속의 용수철, 피아노 건반이나 키보드 자판, 빨대집게 등 일상에서 흔히 사용하는 생활용품 속에 탄성의 과학원리가 숨어 있다.

그러나 모든 물체가 탄성을 갖고 있는 것은 아니다. 같은 크기의 고무공과 찰흙공을 비교해 보자. 고무공을 잡았다가 놓으면 탄성에 의해 움푹 들어갔다가 다시 복원된다. 반면에 찰흙으로 만든 공이나 밀가루 반죽을 빚어 만든 공은 손으로 눌렀을 때 움푹 들어갔던 부분이 다시 복원되지 않는다. 이것은 탄성이 없기 때문이다. 이러한 성질을 '소성'이라고 한다.

#형상기억합금

아무리 좋은 고무줄이나 용수철이라도 늘어나서 원래의 모양으로 돌아가는 데에는 한계가 있다. 용수철을 아주 큰 힘으로 잡아당겼다가 놓으면 원래의 모양으로 되돌아가지 않는다. 이것은 용수철이 탄성한계를 초과하여 늘어났기 때문에 일어난 현상이다.

그런데 현대 과학기술은 탄성한계를 초과하여 복원되지 않은 용수철도 다시 사용할 수 있도록 용수철을 진화시켰다. 그것이 바로 형상기억합금이다. 용수철이 일정한 온도에서 일정한 모양을 기억하고 있다가 되돌아 가게 하는 것이다. 즉 탄성한계를 넘어 변형된 용수철에 일정 온도를 가해주면 본래의 모양으로 복원되게 하는 것이다. 이러한 형상기억합금은 기계나 비행기 자동차 등의 부품으로 사용되기도 하고, 여성의 속옷이나 학생용 안경테에도 사용되고 있다.

일요일 fun&Fun과학관 : 부산과학기술협의회 홈페이지(http://www.fobst.org)참고