가뿐하게 읽는 교양 공학

이정모(국립과천과학관장)

우리 눈에 닿는 거의 모든 물건에 담긴 공학자의 골똘한 생각을 읽는다. 보리차 끓이는 주전자 뚜껑의 덜컹거림에서 증기기관, 선풍기 바람에서 로켓의 제트에 이르기까지 유만선 박사는 소소한 일상에서 출발해 세상을 바꾼 공학적 발명이나 성과를 찬찬히 설명한다. 생체모방형 인공지능 로봇, 드론, 우주로켓 등 최신 기계를 들여다보고 그 안에 적용된 기초 물리학을 두루 훑는 재미가 있다. 우리의 세계관을 바꾸는 것이 과학이라면 우리의 삶을 실제로 변화시킨 것은 기술, 바로 공학이다. 자연과학을 연구하는 과학자와는 다른, 실제 쓰임에서 궁리를 시작해 원리를 적용해나가며 결과를 도출하는 기계공학자의 관점. 이 독특한 시선은 독자에게 일상을 낯설게 느끼게 하는 즐거움과 풍성한 지식을 선사할 것이다.

머리말

멈춰 있는 것(정역학)
타워크레인_구조역학
줄다리기_힘의 평형
운동화 끌기_마찰
물총 놀이_유압
강화유리 깨기_잔류응력
쇠톱 날과 엿가락_변형과 파괴

움직이는 것(동역학)
막대 중심 잡기 놀이_안정성
머드레이싱_축과 바퀴
팔 비틀기_자유도
다리 떨기_진동
로봇 음료 자판기_자동제어
문래동 아저씨_기계 가공
전기 차 시승_전기모터
자전거 체인_동력전달장치

흐르는 것(유체역학)
선풍기 날개_날개
헤어드라이어의 바람_제트 흐름
헬륨 풍선_부력
창밖으로 손 내밀기_항력
줄 맞추어 나아가기_층류와 난류
새사람 되기_충격파
매트릭스_수치해석
끈적거리는 공기_경계층

뜨거운 것(열역학)
온돌과 보일러_난방장치
에어컨_냉방장치
보리차 끓이는 주전자_증기기관
라면 끓이기_끓음
햇볕에 잘 타는 얼굴_복사열전달
옥상 고기 파티_연소
김 서림 방지 장치_대류열전달
국자 손잡이_열전도

용어 설명/ 찾아보기/ 참고 문헌 및 자료 출처

공학자들이 하는 대부분의 일에는 제약이 있다. 적은 비용으로 최대의 효과를 내는 경제학의 이론에서 결코 자유롭지 않기 때문이다. _25쪽이리저리 각자 마음 내키는 대로 살면서도 같이 웃고 떠들며 정보를 공유하는 이 ㄴ간은 정말 유체 알갱이들과 닮았다. _49쪽생각해보면 우리 주위에도 마음속에 일종의 잔류응력을 지니고 살아가는 사람들이 있다. 내 안에는 어떤 종류의 스트레스가 자리 잡고 있을까? _57쪽걸음마를 갓 시작한 인간 아이도 아슬아슬한 자세로, 안정성과 불안정성을 오가며 한 발 한 발 걷는다. 눕거나 앉는 안정적인 자세를 포기하고, 두 발로 분연히 땅을 딛고 일어나 불안정함을 선택하는 행동은 앞으로 나아가기 위해 꼭 필요한 일임이 분명하다. _76쪽숙련공들의 경험이나 기술을 존중하기보다 3D프린터처럼 혁신적이지만 아직 시간이 많이 필요한 가공 방식과 단순히 대비시키는 경향이 있다. 제조 산업 전반으로 일반화하기에 아직 시간이 걸릴 3D프린팅에 대한 열광에 비해 현재 유용한 가공 기술로서 기계 가공, 그 경험과 기술을 보유한 숙련공들의 가치가 존중받지 못한 채 도시 이곳저곳에서 점차 사라져가는 듯해 안타깝다. _118쪽가끔은 우리 주변에 있는 물건들의 움직임을 자세히 살펴보자. 어린이들의 장난감 안에서 플라스틱 기어나 가는 고무벨트 등은 흔히 눈에 띈다. 선풍기 뒤를 뜯어 보면 머리를 좌우로 움직이게 했던 웜기어와 막대 연결 구조 등을 확인할 수 있을지 모른다. 세탁기 속에는 벨트가, 오토바이 속에는 체인이 숨어 있다. 물건 속 이곳저곳에 새겨놓은 설계자의 아이디어를 읽는 재미가 쏠쏠하다. _139쪽2009년 세상에 소개된 다이슨 선풍기는 저렴한 가전제품으로 인식되던 선풍기 시장에 일대 파란을 일으켰다. 날개 없는 선풍기라는 별칭에서 알 수 있듯 수직의 지지대 위에 그저 가운데가 휑하게 뚫린 도넛 모양의 구조물을 얹은 모양이다. 그러다 보니 거꾸로 이런 생각이 든다. 대체 기존 선풍기에 날개는 왜 있었던 것일까? _143쪽한 가지 분명한 사실은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 즉, 물체의 내부 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 열에너지가 확산되는 현상이 자연의 이치이며 이러한 흐름을 멈추거나 되돌리려면 또 다른 에너지가 필요하다는 점이다. 해마다 연말연시가 되면 어려운 이들을 향해 꾸준히 퍼져 나가는 사람들의 따스한 온기를 막을 수 없듯이 말이다. _287쪽

관찰하고, 상상하고, 측정하고, 구현하다
처음 만나는 교양 공학,
보이지 않는 ‘힘’으로 세상을 바꾸는 공학자의 일우리 눈에 닿는 거의 모든 물건에 담긴 공학자의 골똘한 생각을 읽는다. 보리차 끓이는 주전자 뚜껑의 덜컹거림에서 증기기관, 선풍기 바람에서 로켓의 제트에 이르기까지 유만선 박사는 소소한 일상에서 출발해 세상을 바꾼 공학적 발명이나 성과를 찬찬히 설명한다. 생체모방형 인공지능 로봇, 드론, 우주로켓 등 최신 기계를 들여다보고 그 안에 적용된 기초 물리학을 두루 훑는 재미가 있다. 우리의 세계관을 바꾸는 것이 과학이라면 우리의 삶을 실제로 변화시킨 것은 기술, 바로 공학이다. 자연과학을 연구하는 과학자와는 다른, 실제 쓰임에서 궁리를 시작해 원리를 적용해나가며 결과를 도출하는 기계공학자의 관점. 이 독특한 시선은 독자에게 일상을 낯설게 느끼게 하는 즐거움과 풍성한 지식을 선사할 것이다.
이 책에서는 아주 작은 볼트, 기어, 건물 속 철골구조물 등 드러나지 않는 곳에서 제 역할을 톡톡히 해내고 있는 기계요소의 작동을 자세히 살핀다. 요즘 인공지능과 로봇이 제4차 산업혁명의 주축이 되며 화제를 몰고 있지만, 사실 공학의 기본 중의 기본인 기계와 전기를 빼놓고서 담론은 성립될 수 없다. 저자는 그동안 사람들의 손과 발이 되어온 기계 이야기를 또박또박 써 내려가며, 세상의 변화를 좀 더 가까이에서 직시하도록 이끈다.
과학자들의 주목받는 연구가 실제 쓸모를 지니고 구현되는 순간은 바로 공학자의 손을 거쳤을 때다. 공학 역시 수학과 과학의 논리성, 합리성을 바탕으로 발달한 학문이다. 하지만 이론을 세우고 검증해서 증명하는 과정을 밟는 과학자가 세계를 바라보는 시각과는 정반대로, 관찰한 현상을 재구성해 새로운 것을 탄생시키는 데 이론을 적용한다. 이러한 현격한 차이는 공학자들로 하여금 남다른 관점으로 사물에 접근하도록 하고, 세상에 없던 새로운 기술을 등장시킨다. 다양한 물건에 담긴 공학자들의 꼼꼼한 배려, 가능한 모든 경우의 수를 판단한 궁리들을 읽다 보면 우리가 당연하게, 궁금해하지 않고 사용해온 단순한 사물들이 다르게 보인다.
《공학자의 세상 보는 눈》은 공학자들의 생각과 일 자체를 살펴보는 최초의 시도라고 할 수 있다. 일단 관찰하고, 그것으로부터 결과물을 상상해 측정하고, 이론으로만 존재했던 ‘그 무엇’을 실제로 세상에 내놓는 현장의 활기를 담은 교양 공학서를 만난다.4대 역학을 한자리에, 그야말로 가뿐한 한 권의 교양 공학!
대학의 기계공학부에 입학하자마자 가장 먼저 익히는 과목은 정역학, 동역학, 유체역학, 열역학이며 모든 공학적 설계의 기본이 된다. 이 책에서는 기계공학의 꽃이라 불리는 4대 역학을 중심으로 사물을 해부하고, 기초 물리학을 짚어가기 때문에 공학에 흥미를 가진 학생은 물론, 대학 학부생에게도 유익한 정보를 준다. 또한 과학자와 공학자의 다른 사고법을 살펴보며, 많은 예시를 포함해 공학이나 과학을 한다는 막연함을 벗어나 구체적으로 일을 파악할 수 있도록 한다. 이는 공학자를 꿈꾸는 학생들에게 어디에서도 읽을 수 없던 좋은 조언이 된다. 그리고 그동안 교양 과학 분야 책을 찾아 읽던 일반 독자에게는 새로운 관점에서 기초 물리학을 이해하는 지적 탐험이 될 것이다.
1부 ‘멈춰 있는 것’에서는 타워크레인, 줄다리기, 운동화, 강화유리 등을 통해 유압의 원리에서 힘의 평형, 마찰력까지 정역학에 대한 모든 것을 다루고, 2부 ‘움직이는 것’에서는 로봇 팔, 전기 자동차나 자전거가 움직이는 과정을 들여다보며 자유도, 모터, 부력, 수치해석 등 동역학의 기본을 탐색한다. 그리고 3부 ‘흐르는 것’에서는 날개 없는 선풍기, 제트 흐름과 충격파부터 가상현실까지 흐름이 힘을 만드는 원리를 담은 유체역학을 아주 쉽게 살펴보고, 4부 ‘뜨거운 것’에서는 보일러, 에어컨, 증기기관 등의 예로써 열역학의 기본을 탄탄하게 다진다. 수식 하나 없이, 각주 없이 과학 이론을 가뿐하게 터득하는 희열이 있다. 과학과는 달리 끝과 결과물이 있는 탐구 과정, 세상의 문제를 하나하나 풀어나가는 성실하고도 우직한 공학자들의 매력이 담긴 책이다.세상을 빚어낸 묵묵한 공학자의 활약상이 펼쳐지다
《공학자의 세상 보는 눈》에서 빼놓지 않고 다루는 것은 설계가 잘못되었거나 해결하기 어려운 문제를 만났을 때 일어날 수 있는 사고에 대한 공학적 고찰이다. 삼풍백화점 붕괴, 지진으로 인한 건물 파괴, 후쿠시마 원자력발전소 사고 등 많은 인명 피해를 가져온 사례를 분석하며 저자는 공학자들이 마음 한편에 늘 염두에 둔 인간을 향한 배려, 안전을 이야기한다. 건물, 자동차, 항공기 등 거대한 구조물뿐 아니라 아주 작은 반도체에도, 철판을 잇는 리벳에도, 단순한 스프링 장치 하나에도 사람이 우선인 설계가 고려된다. 공학자의 일은 적은 비용으로 단기간, 최대의 효과를 내야 하는 경제학의 이론에서 결코 자유롭지 않지만, 그들은 마지막까지 안전을 타협하지 않고 묵묵히 자신의 자리에서 최선을 다하고 있다.
공학자들이 손대야 할 세상 속 문제와 해결책은 어디를 보아도 불완전함투성이다. 그럼에도 정답이 없는 문제의 ‘안전한’ 그리고 ‘적당한’ 해결점을 찾는 것은 오롯이 공학자들에게 남은 숙제다. 한편에는 수학과 과학의 합리성을 또 다른 한편에는 세상에 대한 겸손함과 유연성을 지닌 채 주어진 문제에 대한 최적의 답을 찾기 위해 노력한다. 결국 이 책의 저변에는 수학과 과학을 기반으로 하되 세상과 타협하는 학문, 공학 하는 이들의 끊임없는 고민이 담겼다. 우리가 숨 쉬듯 사용하는 기계들과 보이지 않는 곳에 공학자의 노력이 있었다. 무한히 성실한 실험, 무수한 실패를 딛고 나온 결과물에 숨은 궁리는 많은 이에게 잔잔한 감동을 줄 것이다. 로켓 열차폐체라는, 국내에서는 드문 최신 기술을 전공한 유만선 박사의 실제 경험을 바탕으로 어디에서도 들을 수 없던 새로운 공학 이야기가 시작된다.