공학이 일상으로 오기까지

공학이 일상으로 오기까지



마이클 맥레이, 조너선 베를리너 지음

하이픈 / 2022년 1월 / 221쪽 / 17,000원





공학이란 무엇일까?



발견과 발명

우리는 고고학적 증거를 통해 알려진 최초의 바퀴가 기원전 3500년경에 발명되었다는 것을 알고 있다. 엔지니어들은 오랜 시간에 걸쳐 이 바퀴의 구조와 기능을 개선해왔고, 최초의 바퀴 발명으로부터 5000년이 지난 오늘날 바퀴는 시속 300마일 이상으로 달리는 슈퍼 카에 쓰일 수 있게 되었다.

공학은 과학을 응용한 것인데, 과학에 대한 이해가 확장됨에 따라 우리는 세상에 대해 점점 더 많이 알게 되었다. 예를 들어 대부분의 발명품은 완전히 새로운 것이 아니라 기존의 아이디어나 개념을 발전시킨 것이다. 전자계산기는 고대의 주판에서 시작되었으며, 휴대전화는 비둘기나 전령을 통해 메시지를 주고받는 것에서 시작되었다. 그리고 음악 스트리밍은 축음기를 통해 재생하던 레코드에서 테이프 카세트로 발전했고, 테이프 카세트는 CD로, CD는 다운로드 가능한 음원 파일로 발전했다. 이 세상에서 만들어지는 모든 것은 공학적 진화를 통해 발전해왔는데, 처음에는 단순한 기능으로 시작했지만, 수 세대의 엔지니어들을 거쳐 더 편리하고 더 나은 형태로 진화했다.

공학자의 자질

엔지니어에게도 스킬, 곧 기술이 필요한데, 그들은 여러 사람과 다양한 프로젝트를 수행하는 과정에서 그 기술을 개발하게 된다. 그렇다면 엔지니어에게 필요한 능력은 무엇일까? 엔지니어의 역할은 문제에 대한 해결책을 제시하고, 새롭고 창의적인 제품을 발명하며, 사람들이 안전하고 건강한 삶을 유지하는 데 도움을 주는 것이다. 따라서 엔지니어는 문제를 해결하기 위해 많은 질문을 해야 하고, 아이디어를 전달하고, 팀으로 작업하며, 자신의 과학 및 기술 지식을 적용하여 해답을 찾을 수 있다. 생각해 보자. 내가 가진 아이디어를 다른 사람들에게 설명할 수 없다면 무슨 소용이 있을까? 특정 시간 이내에 해결해야 하는 중요한 문제의 기한을 놓쳐서 심각한 결과가 초래된다면 어떻게 될까? 이처럼 팀워크와 문제 해결 능력, 계획하고 체계적으로 일하는 것은 매우 중요한 스킬이다.

공학의 경제학

공학과 발명은 작은 아이디어에서 시작한다. 하지만 말 그대로 시작에 불과하며, 엔지니어는 그 작은 불꽃을 현실로 만드는 방법을 알아내야 한다. 한편 숫자는 공학의 여러 부분에서 매우 중요하게 쓰이는데, 수학은 공학의 핵심이며 숫자로 작업하는 방법을 아는 것은 공학에서 필수적이다. 기발한 아이디어가 있다면 먼저 어떤 점을 고려해야 할까? 예로 아이디어가 건물이나 다리 등 대규모 건설물에 관련된 경우, 엔지니어는 설계가 안전한지 확인하고, 원자재비용을 결정하고, 예산을 추정해야 한다. 또 시간이 얼마나 걸릴지(시간은 곧 돈이다!), 예산 범위를 벗어나지는 않는지 파악해야 한다. 그리고 제품에 대한 아이디어인 경우, 엔지니어는 아이디어를 판매할 수 있는 물건으로 실현시켜야 한다. 한편 엔지니어는 제조비용이나 유지 관리 비용을 줄여 보다 경제적인 방법을 개발하거나 설계를 수정하여 비용을 줄일 수도 있는데, 이렇듯 제품을 저렴하고 수익성 있게 만드는 것을 “원가 절감”이라고 부른다. 엔지니어는 작업의 경제성 또는 재정을 이해할 수 있어야 한다.



공학의 과학



과학에서 공학으로

비행기를 설계하거나, 새로운 의약품을 개발하거나, 박테리아의 유전자를 변형하는 등 자연의 법칙을 발견하는 것은 실험을 통해 아이디어를 검증하는 과학자들의 몫이다. 그런 다음 엔지니어들은 이 지식을 사용하여 설계가 작용하는 방식을 이해하고 가능한 한계선까지 기술을 끌어올릴 수 있다.

고대의 엔지니어들에게는 과학적인 법칙이 없었지만, 그들은 실용적인 지식을 통해 스톤헨지 같은 건축물을 건설할 수 있었다. 이때 사용된 돌의 무게는 차 25대의 무게를 합친 것과 비슷했다고 한다. 돌을 들어 올리려면 지렛대와 도르래가 필요했고, 그것에 사용될 나무와 밧줄의 강도를 예측해야 했다. 또한 고대의 엔지니어들은 바닥이 넓을수록 구조가 더 안정적이라는 것을 알고 있었다. 때문에 이집트, 멕시코, 과테말라에서 발견된 것처럼 높은 구조물은 피라미드 형태를 띠게 된다. 이 시기 엔지니어들은 기하학을 사용했는데 기하학은 “지구를 측정하기”라는 뜻의 그리스어에서 유래했다.

현재 가장 높은 건물인 두바이의 부르즈 할리파를 설계한 엔지니어들은 더 많은 지식을 필요로 했다. 지질학자들은 탑 아래에 있는 암석의 강도를 연구했고, 재료 과학자들은 콘크리트 혼합물이 서로 다른 온도에서 어떻게 수축하고 팽창하는지, 물리학자들은 돌풍이 건물의 모양과 어떻게 상호 작용하는지 연구했다. 건물이 변화하는 환경에 어떻게 반응할지 예측할 수 없다면 붕괴될 수도 있기 때문이다.

미는 힘과 당기는 힘

교량 설계가 안정적인지 또는 새로운 재료가 어떻게 작용할 것인지 예측하기 위해 엔지니어는 물체 또는 물체를 구성하는 입자가 밀고 당기는 방식을 모델링해야 하는데, 물리학자들은 밀고 당기는 것을 “힘”이라고 부르고 공식을 사용해 은하만큼 큰 물체에서 원자처럼 작은 물체에 이르기까지 물체들이 서로에게 미치는 영향을 모델링하고 예측한다. 힘은 질량과 가속도를 곱해 구한다. 따라서 질량이나 가속도가 커지면 그만큼 힘이 커진다. 이는 실험 결과와도 매우 정확하게 일치하며 건설에서 우주여행에 이르기까지 거의 모든 분야에 사용된다. 힘을 측정하는 단위는 뉴턴(N)이다.

사물을 구성하는 아주 작은 요소들

모든 것은 ‘원자’라고 불리는 작은 입자로 이루어져 있다. 서로 다른 물질이 만나면 원자끼리 달라붙고 배열되는 방식에서 특성을 얻는다. 또한 화학 반응에서 원자들은 새로운 물질을 만들기 위해 재배열한다. 지금까지 약 6천만 개의 다른 물질이 발견되었다. 한편 원자는 ‘양성자’, ‘중성자’, ‘전자’라는 훨씬 더 작은 입자로 만들어진다. 양성자와 전자는 정전기력으로 서로를 밀고 당기는데, 원자핵에 있는 양의 양성자는 궤도를 도는 음의 전자를 끌어당긴다. 같은 전하를 가진 물체는 반발하여 서로 가까이 있을 수 없으므로 각 전자는 핵의 다른 궤도에 머문다.

한편 하나의 양성자를 가진 원자는 원자 번호가 1이고 모두 비슷하게 작용한다. 원자 번호 1은 수소이며, 원자 번호와 반응 방식에 따라 배열된 주기율표에서 지금까지 발견된 모든 원소를 찾을 수 있는데, 산소나 철과 같은 일부 요소는 일상에서도 쉽게 볼 수 있지만 어떤 요소들은 실험실에서만 볼 수 있다. 2002년에 과학자들은 118개의 양성자를 가진 가장 큰 원자 ‘오가네손’을 발견했다. 2005년 이후 발견된 원자는 단 5개에 불과하다.



건축



고대의 건축

인간은 수천 년 동안 인류를 안전하고 따뜻하게 지켜줄 공학적인 구조를 만들어왔는데, 건축 구조를 설계한다는 것은 물체가 무너지지 않도록 하는 힘을 이해하는 것이다. 인류의 조상이 자연적인 구조물이 아닌 인위적인 피난처를 건설하기 시작한 정확한 시기와 방법은 아무도 모른다. 하지만 우리는 기원전 1만 년까지 사람들이 큰 돌로 만든 튼튼한 구조물을 지었다는 사실을 알고 있다.

현존하는 고대 건축물의 대부분은 조각된 돌을 무너지지 않도록 쌓은 것이다. 피라미드와 지구라트(거대한 계단식 구조)는 오랜 세월을 견뎌낸 돌 건축의 유명한 예시이다. 돌을 쌓아 올리기 위해서는 기술적 혁신이 필요했고, 덕분에 돌보다 단단한 금속을 개발하게 되었다. 초기 금속 도구는 ‘공작석’이라고 불리는 광석에서 추출할 수 있는 구리로 만들어졌지만, 구리는 너무 부드러워서 화강암과 같은 단단한 암석을 효율적으로 절단할 수 없었다. 따라서 약 5000년 전 사람들은 주석과 구리를 혼합해 구리보다 단단한 합금 청동을 만들어냈다. 이후 사용된 철은 청동보다 더 단단했고, 철광석을 제련함으로써 튼튼한 건축 자재를 정밀하게 조각할 수 있게 되어 기술과 건축을 새 시대로 이끌었다.

고도의 제한

건물을 더 높이 지으려는 시도 중 일부는 종교적인 이유에서 시작되었으며, 당시 인류는 장엄하고 강력한 느낌을 주는 거대한 대성당을 건설했다. 한편 건축가는 돌을 옮길 때 ‘버트레스’라고 불리는 각진 지지대로 힘을 교묘하게 분산시키는 방법을 고안했다. 그런데도 이 동굴 같은 건물의 내부는 어둡고 우중충했다. 큰 창문을 두면 무거운 벽이 불안정해져 모든 간격이 좁고 작아야 했기 때문이다. 이후 중세 시대에 엔지니어들은 하중을 수평으로 분산시키는 아치를 사용하면 사용하는 돌의 양을 줄일 수 있다는 사실을 발견했고, 버트레스가 가늘어지면서 날씬해 보이기 때문에 ‘플라잉 버트레스’라는 이름이 붙었다. 창의 윗면은 둥글거나 약간 뾰족한 모양으로 튼튼하게 만들어서 크기를 키웠다.

구름 사이의 집: 19세기 산업혁명은 더 많은 사람을 도시로 유입시켰고, 더 많은 주택과 사무실에 대한 수요를 만들었다. 그런데 건물을 짓는 것이 유일한 선택이었지만 큰 지지대를 세울 공간이 거의 없었을뿐더러 아무도 매일 10층의 계단을 오르고 싶어 하지 않았다. 이렇게 공간이 부족한 상황에서는 버트레스가 도움이 되지 않으므로 건물을 더 높게 짓기 위해서는 돌이 아닌 다른 것을 사용해야 했다. 때문에 빔이 만들어지는 방식을 개선해 강철 골격을 기반으로 큰 유리창과 얇은 돌벽으로 건물을 지을 수 있게 되었다. 한편 고층 빌딩은 19세기 중반 전동 엘리베이터의 발명 이후에야 실제 사용이 가능해졌다. 층간 사이에 자재를 들어 올리는 방법은 이전부터 있었던 것이지만, 엘리샤 오티스(Ellisha Otis)라는 미국의 발명가는 안전장치를 추가해 사람이 탈 수 있게끔 했다.



동력과 공학



에너지원

공기를 움직인 바람처럼 에너지를 유용한 방식으로 전달하는 것을 ‘에너지 저장소’ 또는 ‘에너지원’이라고 부른다. 식물은 광합성을 통해 세포에 화학적으로 에너지를 저장하고, 이 에너지를 연소해서 유용한 방식으로 방출할 수 있는데, 나무는 10만 년 전 인류의 첫 번째 에너지원이었고 오늘날에도 여전히 사용되고 있다. 한편 유기체가 죽을 때 저장된 에너지는 그것을 분해하는 미생물에 의해 사용되기 때문에 퇴비 더미는 때때로 따뜻해지곤 하지만, 생물체가 땅에 묻히면 산소가 부족해 분해되지 않는다. 하지만 수백만 년 동안 깊숙이 묻혀 있으면 지각의 열과 압력으로 인해 석탄, 석유 또는 천연가스로 변할 수 있다. 이런 화석 연료는 저렴하고 운송이 간편하며 연소 시 매우 빠르게 많은 에너지를 방출한다. 때문에 지금 우리 세계에서 쓰이는 대부분의 에너지는 이러한 화석 연료에서 비롯되며, 이러한 연료는 한번 연소하면 영원히 사라지기 때문에 ‘재생 불가능한 연료’라고 부른다.

바람의 흐름과 함께: 바람과 강처럼 움직이는 유체는 돛이나 터빈을 밀어 운동에너지를 전달할 수 있는데, 물레방아는 기원전 4~3세기에 중동에서 처음 발명되었으며, 강의 운동에너지를 끌어오는 데 사용되었다. 또한 인류는 수천 년 동안 바람을 사용해 배를 몰아왔고, 최초의 풍차는 9세기에 페르시아에서 발명되었는데 페르시아인들은 풍차를 사용해 물을 퍼 올리거나 곡물을 갈았다. 강과 바람은 에너지를 사용해도 사라지지 않기 때문에 둘 다 재생 가능한 에너지로 간주한다.

태양과 관련 없는 에너지 / 일반적으로 사용되는 에너지원: 화석 연료와 식물의 광합성은 태양의 열에너지를 흡수한 것이고, 바람은 대기가 불균형적으로 가열되어 발생하기 때문에 태양에서 기인한다. 강 또한 태양에 의해 증발한 공기 중의 물이 산과 언덕의 꼭대기에서 응축되어 형성된 것이기 때문에 태양으로부터 에너지를 얻는다. 하지만 태양이 없었다고 해도 우리는 여전히 에너지를 얻을 수 있었을 것이다. 배터리는 화학 반응을 사용해 전기에너지를 전달하고, 핵반응은 많은 열을 방출하며, 일부 지역에서는 지구의 지각이 아주 얇아서 지열로 물을 가열할 수 있다. 한편 이렇게 일반적으로 사용되는 에너지원은 모두 서로 장단점이 있지만, 화석 연료 연소가 기후에 미치는 영향이 더욱 극심해짐에 따라 재생 가능한 에너지원이 더욱 중요해지고 있다.

친환경

과학자들은 1950년대에 이르러 화석 연료 연소로 인한 이산화탄소 증가로 우리의 대기가 온난화하고 있음을 알아차렸다. 하지만 그 후로 에너지 수요는 훨씬 더 많아졌고, 오늘날의 대기에는 250년 전보다 2.5배 많은 이산화탄소가 존재한다. 연료를 태우면 다른 문제도 발생한다. 배출된 폐가스는 공기 중의 물과 반응하여 비를 더욱 산성으로 만들 수 있으며, 이는 식물과 호수에 좋지 않고, 또한 공기를 통해 건강에 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 오늘날 엔지니어들이 직면한 도전은 인류의 건강과 인류가 생존하는데 필요한, 동식물의 건강을 손상시키지 않으면서도, 에너지를 충족시키는 것이다.

친환경 에너지: 수력 및 조력과 같은 재생 가능 에너지는 발전소를 건설할 수 있는 위치에 따라 제한된다. 그리고 풍력은 에너지를 생성하는 가장 저렴하고 효율적인 방법이지만 바람에 의존하며, 태양광 발전은 햇빛이 충분할 때만 에너지를 생산할 수 있다. 이렇듯 예측할 수 없는 에너지원 문제를 해결하기 위해서는 수요가 없을 때 에너지를 저장하여 수요가 많을 때 방출할 방법을 찾아야 한다.



운송 수단



운송

엔지니어들은 더 빠르고 편리하고 안전하고 저렴한 운송을 위해 바퀴, 날개, 돛, 프로펠러, 엔진 등을 개발하여 혁신을 이어왔고 이러한 변화는 삶을 변화시켰다. 고대인들은 배에 무거운 물건을 실어 나르기 위해 해안 근처에 살기도 했는데, 약 6000년 전 바퀴가 발명되면서 사람보다 더 힘이 세고 관리 비용이 저렴한 소, 말 등의 포유류를 사용해 수레를 더 쉽게 끌게 되었다. 하지만 그럼에도 불구하고 1800년대에 증기 기관이 발명되기 전까지의 운송은 여전히 느리고 비쌌다.

1700년대 초반에 발명된 증기 기관은 18세기 말 제임스 와트에 의해 크게 개선되었다. 때문에 동력의 단위는 그의 이름을 따서 이름 지어졌다. 증기 기관은 연료를 태워 물을 끓이고, 이때 발생한 증기로 피스톤을 밀어 바퀴를 돌릴 동력을 제공하는 구조이다. 한편 오늘날 대부분의 차는 1800년대 중반에 발명된 내연 기관을 사용한다. 엔진 내부에서 연료가 연소하고 가스가 팽창하여 피스톤과 로터를 밀어 동력을 제공한다. 내연 기관은 증기 기관보다 작으므로 자동차, 보트. 제트기에 동력을 공급하는 데 사용된다. 한편 연료를 태우면 오염 물질이 발생한다. 하지만 전기 모터는 배기가스를 거의 배출하지 않는데, 전기 모터는 100년 넘게 선로나 가공 케이블을 통해 전력을 공급하는 노면전차나 기차에 사용되었지만, 배터리 기술의 제약으로 인해 자동차에는 대중화되지 못했다.

비행기

비행기는 날개의 힘으로 들어올려지며 날개의 모양이나 각도를 조정함으로써 다른 어떤 형태의 운송 수단보다 빠르게 이동할 수 있는데, 1903년 노스캐롤라이나에서 라이트 형제가 최초로 유인 비행기를 만들었다. 한편 액체나 기체가 통과할 때 한쪽이 다른 쪽보다 더 많이 밀리도록 설계된 모양을 ‘에어포일’이라고 부르는데, 이 모양은 두 가지 방법으로 비행기가 나는 데 도움이 된다. 에어포일을 아래쪽으로 기울이면 날개 바닥에 더 많은 공기 저항이 생겨 선체가 위쪽으로 밀린다. 또한 날개는 ‘베르누이 효과’를 활용한다. 가장 큰 여객기는 에어버스 A380-800로 715톤 이상의 무게를 버틸 수 있고, 최대 850명의 승객을 태울 수 있으며, 14,800킬로미터를 날 수 있다.