<우주를 향해 쏘다!-로켓과 우주선>

통합 과학관련 교과 6-1 과학 3 여러 가지 기체우리 집에 과학이 숨어 있다

지구 위 물체는 중력에 의해 지구 중심 방향으로 끌어당겨져요. 그런데 우주선이 중력을 거스르고 날아가는 원리는 무엇일까요? /글 김용희(「팡팡 터지고 탁탁 튀는 엄마의 오지랖」저자)ㆍ그림 신성희받은 만큼 돌려주는 힘, 작용과 반작용

창밖에 파란 하늘을 배경으로 나뭇잎이 흔들리고 있었어요. 원준이는 풍선을 가져와 공기를 불어 넣었어요.

“손을 놓으면 어떻게 될까?”

원준이가 부푼 풍선 꼭지를 잡고 말했어요.

“날아가겠지.” 이번에는 윤비가 대답했어요.

손을 놓자 정말로 풍선에서 공기가 빠져나오며 날아갔어요.

“자, 공기가 나오며 풍선을 밀어 내는 거야. 우주선이 나는 것도 마찬가지이지.”

이제 풍선 로켓을 만들어 볼까요? 먼저 부푼 풍선에 빨대를 붙여 실을 꿰어요. 실 양 끝을 벽에 고정한 뒤 풍선을 놓으면 어떻게 될까요? 공기가 나오는 반대쪽으로 풍선이 날아가요. 공기가 빠져나오면서 풍선을 밀어 내기 때문이에요. 이번에는 두 손으로 벽을 밀어 보아요. 분명히 내가 벽을 밀었는데 몸이 밀려 나지요? 왜 이런 일이 벌어질까요? 내가 힘을 준 만큼 벽이 나를 밀어서예요. 이렇게 한쪽이 힘을 주면 힘을 받은 물체가 같은 크기로 다시 힘을 미치는 일이 작용과 반작용이에요. 벽을 미는 힘이 작용이고, 벽이 나를 미는 힘이 반작용이지요.

작용과 반작용은 두 물체에 동시에 일어나며, 서로 크기가 같고 방향은 반대랍니다.

페트병으로 만든 물 로켓도 같은 원리예요. 페트병에 물을 반쯤 넣고 공기를 가득 채워 발사하면 물을 내뿜으며 날아가요. 페트병 속 공기가 물을 밀어 내거든요. 이때 로켓이 물을 아래로 미는 힘이 작용이고, 물이 로켓을 밀어 올리는 힘이 반작용이에요. 물 로켓을 날리려면 공기를 압축하는 기계를 써 압력을 높여야 해요. 그래야 물 로켓이 힘차게 날아가지요.연소는 물질이 산소와 만나서 빛과 열을 내는 현상이에요. 흔히 탄다고 표현하지요. 물질이 연소하면 재와 수증기, 이산화탄소 등이 생겨요. 수증기와 이산화탄소는 기체예요. 물질은 액체나 고체 상태에 비해 기체 상태일 때 부피가 커져요. 물질을 이루는 분자가 활발히 움직이며 공간을 넓게 쓰거든요.

이렇게 부피가 커지는데 공간이 일정하면 어떻게 될까요? 기체의 압력이 점점 커지며 결국 터지고 말아요. 그런데 한쪽에 구멍을 내면 그 구멍으로 기체가 빠르게 빠져나가게 되지요.

연료를 태워 생긴 기체(가스)의 압력을 이용해 움직이는 기계가 로켓이에요. 연소 과정에서 가스가 쌓이면 안쪽과 바깥쪽에 압력 차이가 생겨요. 이로써 가스는 더욱 빠르게 노즐(액체나 기체를 빠르게 뿜어내기 위해 기계 끝에 다는 대롱 모양의 구멍)로 빠져나가지요. 그에 대한 반작용으로 로켓이 날아가는 것이랍니다.

로켓에 실어 쏘아 올리는 우주선

앞에서 살펴본 것처럼, 로켓은 기체나 액체를 세게 내뿜어서 그 반작용으로 날아가는 기계예요. 1200년 무렵에 불화살 형태로 시작돼 이후 오랫동안 무기로 개발되었지요.

1926년에는 미국의 과학자 로버트 고다드가 최초로 액체 연료 로켓을 쏘아 올렸지요. 이렇게 인간은 우주에 한 걸음 가까이 다가가게 됐어요. 오늘날에는 로켓이 우주선이나 인공위성을 발사하는 데도 쓰여요. 로켓은 연료에 따라 고체 로켓과 액체 로켓으로 나뉘어요. 고체 연료를 사용하는 고체 로켓은 구조가 간단하며 가볍고 연료를 저장하기 쉬워요. 반면에 액체 연료를 사용하는 액체 로켓은 구조가 복잡하고 무거워요. 그러나 연료를 조절해 내보낼 수 있어서 제어가 가능하지요. 한 번에 큰 힘을 낼 수 있는 것도 장점이에요.

고체 로켓과 액체 로켓의 단점을 보완해 만든 혼합 로켓도 있어요. 최근에는 기업에서 유인 우주선을 발사하면서 일반인도 우주에 갈 수 있어요. 아직은 300~400km 높이에 떠 있는 국제 우주 정거장(ISS)에 다녀오는 정도이지만, 언젠가는 먼 우주를 오가는 우주여행의 시대가 오겠지요?작용과 반작용 원리를 이용하는 예가 또 있을까?

로켓과 우주선처럼 작용과 반작용 원리를 이용하는 예가 또 있을까요? 여름철에 강이나 바다에서 물 위로 날아오르는 플라이보드를 본 적 있나요? 보드에서 물이 뿜어져 나오며 날아오르는 모습이 정말 멋져요. 마치 영화 속 아이언맨을 떠오르게 하지요. 플라이보드는 제트 스키와 호스로 연결되어 있어요. 제트 스키가 내뿜는 물의 힘을 이용해 그 반작용으로 떠오르지요.

제트 스키에서 물을 세게 내보내면 보드가 더 높이 떠올라요. 그런데 무게 중심을 잘 잡아야만 해요. 까딱 잘못하면 물 속으로 곤두박질치게 되니까요.

로켓탄도 있어요. 로켓 원리를 이용해 스스로 추진하면서 날아가는 탄알이에요. 탄알 속에는 연료가 들어 있어요. 연료가 연소하면서 가스를 내뿜는데, 그 반작용으로 탄알이 날아가지요.

작용과 반작용 원리를 이용하는 예가 또 있을까요? 주위에서 한번 찾아보아요. /자료 제공= ‘초등 독서평설 11월호’(지학사 펴냄)

우리 집에 과학이 숨어 있다.

1. 반작용이 무엇인지 설명하세요.

2. 알맞은 말을 골라 ○표 하세요.물질은 (고체/액체/기체) 상태일 때 부피가 커져요. 물질을 이루는 분자가 (차분히/활발히) 움직이며 공간을 넓게 쓰거든요.

3. 주변에서 작용과 반작용의 예를 찾아 보세요.