거대한 도시의 숨은 원리와 공학 기술

초고층 빌딩의 설계에서 미래의 운송수단까지 과학은 어떻게 도시를 작동시키는가?

도시를 움직이는 과학과 기술의 세계! 세계최고층 빌딩인 부르즈 칼리파는 높이가 828미터에 이른다. 이처럼 100층이 넘는 초고층 빌딩은 거대한 돛처럼 작동해 자칫하면 바람에 심하게 흔들리고 강풍에 쓰러질 수 있다. 그럼, 어떻게 그 높은 빌딩이 강풍에도 쓰러지지 않고 버틸 수 있는 걸까. 또한 도시에서 소비되는 막대한 양의 수돗물은 어떻게 멀리 떨어진 수원지에서 각 가정까지 전달되는 걸까. 깨끗한 물을 안정적으로 공급하기 위한 정화기술과 수도관에는 어떤 과학이 숨어 있을까? 쓰레기수거장의 폐기물들은 어떻게 처리돼 우리 눈앞에서 사라지는 것일까. 그밖에 초고층 빌딩의 문은 왜 예외 없이 회전문이며, 선로에 낙엽이 쌓였다고 열차가 멈추는 이유는 무엇인지, 우리가 늘 손에 쥐고 있는 휴대전화의 데이터는 어떻게 이동하는지 궁금하게 생각해본 적이 있는가? 이처럼 오늘날 도시가 제대로 작동하는 것은 곳곳에 자리 잡은 과학 테크놀로지와 엔지니어링 덕분이다. 과연 어떻게 가능한 걸까? 호기심 많은 저자 로라 윙클리스는 수많은 자료와 해박한 지식을 바탕으로 도시를 움직이는 고층건물, 전기, 상하수도, 도로, 자동차, 철도시스템, 네트워크 등의 7가지 요소에 대해 탐색해나간다. 물리학자이기도 한 저자는 자신의 첫 책을 위해 자신이 일했던 영국 국립물리연구소를 비롯해 미국 국립신재생에너지연구소, 프랑스 국립해양연구소, 런던 교통국 교통관제소, 미국과 영국과 호주 등의 여러 대학과 기업의 연구소 등에서 활약하는 수많은 전문가를 만나 인터뷰했고 이 결과를 바탕으로 거대한 도시의 작동원리를 한눈에 밝혀낼 수 있었다. 덕분에 독자들은 눈에는 보이지 않는 철근 콘크리트, PVC 접합 유리, 탄소섬유 케이블 등 다양한 건축 자재와 시공 과정, 지하도의 세부 모습을 들여다보고, 국제 데이터의 99%가 아직도 케이블, 그것도 해저 케이블로 전송되는 원리도 이해할 수 있을 것이다.

들어가는 글

Chapter 01 빌딩, 마천루의 과학
Chapter 02 전기, 꺼지지 않는 빛
Chapter 03 상하수, 물의 연금술
Chapter 04 도로, 도시의 혈관
Chapter 05 자동차, 탈것의 혁명
Chapter 06 열차, 메가시티의 생명선
Chapter 07 네트워크, 보이지 않는 연결망
Chapter 08 내일의 도시

참고문헌
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마천루 설계에서 최대 고려 사항은 바람이다. 빌딩이 항상 뻣뻣이 서 있는 것 같지만 사실은 그렇지 않다. 빌딩은 거대한 돛처럼 거동한다. 그래서 빌딩이 바람에 흔들리고 기우는 것을 최소화하기 위한 여러 공학적 기술이 요구된다. 구조적 문제만 있는 것은 아니다. 인간은 흔들림과 진동에 매우 민감하다. 잘못 설계된 건물에 있다가는 바람이 심하게 불 때 멀미가 날 수도 있다. -35쪽마천루의 문은 왜 거의 예외 없이 회전문일까? 회전문이 이렇게 널리 보급된 데에는 보다 과학적인 이유가 있다. 고층건물에 발생하는 여러 문제 중 하나가 굴뚝 효과다. 건물 내부와 외부의 온도 차이 때문에 생기는 현상으로, 열을 받으면 위로 올라가는 공기의 성질과 관계있다. 이 현상은 더운 기체의 원자들이 차가운 기체의 원자들보다 상대적으로 분산도가 높기 때문에, 즉 밀도가 낮기 때문에 발생한다. -48쪽어째서 새들은 고압 전선에 앉아도 감전사하지 않는 걸까? 높다란 전선을 횃대 삼아 앉아서 도시민을 굽어보는 새들에게는 전기가 통하지 않는 걸까? 그렇지 않다. 전기에 관계된 일이 다 그렇듯, 새들의 생존도 전적으로 ‘연결’의 문제다. (…) 엄지와 검지 사이에 건전지를 잡으면 완벽한 회로가 만들어진다. 하지만 새가 고압 전선에 앉을 때는 어떤 회로도 완성되지 않는다. 건전지의 한쪽 전극에만 손가락을 올려놓은 셈이기 때문이다. 회로도 아니고, 전기의 흐름도 없다.
그렇다고 해서 고압 전선을 한 가닥만 만지는 것은 괜찮다는 말은 결코 아니다. 그랬다가는 죽는다. 새들이 무사한 이유는 두 발을 모두 같은 전선에 대고 있기 때문이다. 새들은 전선에 앉아 있지만 전선 외에 다른 것과는 전혀 닿아 있지 않다. 따라서 전류가 이동할 경로가 없다. -77쪽현재는 도시 가정이 쓰는 식수의 약 1/3이 화장실에서 소비된다. 낭비가 아닐 수 없다. 하지만 얼마간의 전향적 계획과 투자를 통해서 미래의 건물들은 목욕과 세탁으로 발생한 그레이워터를 다시 화장실 용도로 쓸 수 있다. 샤워 물을 식물 재배에 사용하는 등의 비공식적인 방법으로 그레이워터를 재사용하는 곳이 많다. 세탁과 목욕으로 발생한 ‘대체로 깨끗한’ 물을 재사용하는 일이 모두의 규준이 되어 화장실의 물 낭비를 대폭 줄일 날이 멀지 않았다. 과학자들은 그레이워터의 활용도를 높일 방법을 찾고 있다. -154쪽 오늘날의 열차가 감당할 수 있는 최대 경사는 얼마일까. 30도? 아니면 40도? 미안하지만 여러분의 짐작은 엄청나게 빗나갔다. 마찰 기반 열차가 감당할 수 있는 최대 경사는 고작 4도다. 그것도 경사로가 짧을 때나 가능하다. 열차에 작용하는 마찰력의 변화 때문이다.
평소 열차가 선로를 따라 무사히 움직이는 것은 마찰이라는 고마운 접착력 덕분이다. 하지만 경사가 급해질수록 이 접착력이 약해져 더는 바퀴가 레일과 접촉을 유지하기 힘들어진다. 그러면 열차가 통제력을 잃고 도로 미끄러져 내려간다. 미미한 경사도 열차의 견인력에 커다란 차이를 만든다. 300톤 열차의 경우 1도 경사를 올라가려면 평지를 달릴 때보다 두 배의 힘을 써야 한다. -284쪽 사물인터넷이 앞으로 몇 년 내에 우리의 아침을 완전히 바꿔놓을 수도 있다. 잠을 깨우는 알람이 샤워기와 커피머신에게도 작동 명령을 내린다. 이와 동시에 일기예보, 교통정보, 대중교통 시간표, 개인 일정표를 한데 묶는 소프트웨어가 그날의 목적지까지 최적 노선을 짠다. 도시 곳곳에서 빌딩과 차량을 감시하는 센서들이 스스로 점검보수 일정을 잡고, 작물이 도시 농부에게 수확 시점을 예고하고, 쓰레기통들이 관할 관청에 쓰레기 수거 시점을 통지한다. -361쪽

빌딩, 전기, 상하수도, 운송수단과
네트워크까지 도시의 작동법!
오래전 도시는 사람들에게 먹을 물과 식량을 제공하는 물길(강)을 따라 형성되었다. 거기엔 전기도 없었고, 틀기만 하면 콸콸 쏟아지는 수돗물 대신 땅을 파 물을 길어 올려야 하는 우물이 있었으며, 말이나 마차 같은 탈것은 귀해서 아무나 사용할 수 없었다. 고대 로마 같은 특별한 곳을 제외하면 도로가 발달하지도 않았다. 자동차나 철도, 고층건물 같은 건 당연히 생각도 못 했다.
하지만 우리가 살고 있는 오늘날 도시는 어떤가. 20~30층 아파트는 주변에 흔하고 100층 넘는 초고층 빌딩도 이미 세계에 10개가 넘는다. 가솔린 자동차가 세상에 나온 지 100년 조금 넘었을 뿐인데 화석연료가 아닌 수소연료전지로 움직이고 도로에서 자가 충전까지 하는 무인 자율주행차가 도로를 달릴 날도 그리 멀지 않았다.
도시에 살면서 당연하다고 여겼던 것들을 떠올려보라. 샤워하면서 별생각 없이 물을 흘려보내고 어디서나 전기를 공급받을 수 있으며 수많은 자동차가 문제없이 질서정연하게 움직인다. 빌딩의 높이는 계속해서 더 높이 치솟고 있으며 고속열차는 500km 걸이를 2시간 만에 주파하고 인터넷을 이용해 외국 바이어와 실시간 화상회의를 한다.
이러한 당연함을 위해서 도시에는 보이지 않는 정교함이 곳곳에 자리하고 있다. 고층건물을 지탱하기 위해서는 그만큼의 무게를 지탱해야 하고, 바람과 지진에 견뎌야 하며, 화재나 침수로부터 입주자 및 사용자를 보호해야 한다. 냉난방 시설, 청정하게 유지되는 실내 공기 등 쾌적한 환경을 제공하는 것은 물론, 최저층부터 최고층까지 안전하고 빠르게 오갈 수 있는 시설도 갖추고 있어야 한다. 필요한 자재, 시공법도 일반 건물과는 다르다. 왜 고층건물에는 회전문이 달려있을까?
고층빌딩의 문은 예외 없이 회전문인데, 이는 건물의 내부와 외부의 온도 차이 때문에 문제가 생길 수 있어서다. 즉 여닫이문의 경우, 쾌적한 환경을 위해 냉난방 장치를 작동하면 내부 공기가 위 혹은 아래로 이동해 문이 열릴 때마다 외부 공기가 빠르게 유입되어 건물 내부의 공기 흐름에 문제가 발생한다. 이를 방치하면 구조적 문제로 승강기가 오작동하거나 화재 시 유독가스가 퍼질 위험이 있다. 회전문은 그런 위험을 없애는 장치인 셈이다. 최근에는 건물 파사드에 녹색식물이 자라도록 그린월을 설치해 도시 미관도 살리고 환경친화적 측면도 강화하는 추세다.
이처럼 고층빌딩 하나를 짓는 과정에도 수많은 기술이 뒷받침되지 않으면 불가능하다. 메가시티의 기반에 놀라운 엔지니어링의 세계가 숨어 있다는 사실을 잘 말해준다. 우리를 놀라게 할
미래 도시의 모습은?
2014년 유엔은 현재 인류 역사상 처음으로 세계 인구의 절반 이상이 도시 지역에 거주한다고 밝혔다. 도시들은 전에 없이 커지고, 붐비고, 중요해졌다. 과연 미래 사회에서도 도시는 여전히 중요할까? 저자는 마지막 장에서 상상의 미래도시를 펼쳐 보이면서 도시가 계속해서 존재할 것으로 전망한다. 현재 인류의 큰 위협인 기후변화, 에너지 부족, 환경오염을 성공적으로 극복하고 운송과 물류 자율 시스템, 샤워시간 자동제한, 태양열 시스템 구축, 탄력적 출퇴근제, 도시 텃밭 설치, 전기차와 수소차 보급 등으로 말이다. 결론적으로 미래 도시를 훌륭히 건설하는 데 필요한 것은 이미 우리 손안에 있다는 점을 다시 한번 강조한다.