과음을 경계하는 잔, 계영배

‘과유불급(過猶不及)’이란 말이 있다. 지나침은 모자람과 같다는 뜻이다. 연말연시가 다가올수록 이 고사성어는 수많은 사람들의 마음을 절절히 파고든다. 이곳저곳에서 각종 송년회로 한해를 마무리하는 사람들. 이때 빠질 수 없는 것이 바로 술이다. 하루가 멀다 하고 이어지는 송년회로 몸이 상해도, 다음번에는 꼭 적당히 마시겠다고 다짐을 해도, 술자리가 무르익을수록 그 다짐은 쉽사리 잊혀진다. 과음(過飮), 과식(過食), 과로(過勞)…, 결국 무엇이든 지나치면 몸을 해치는 독이 된다. 하지만 과연 어느 선까지가 적당한 것일까. 뭐든 '적당히'를 지키기란 쉬운 일이 아니다. 마음 가는 데로 무턱대고 따라가다 보면 금세 넘쳐버리고, 고생했던 기억을 떠올리며 마음을 단단히 다잡으면 너무 인색해지기 쉬우니까. 송년회에서 술을 피할 필요는 없지만 과음은 피해야 할 적(敵)이다. 본인의 의지만으로 술을 절제 하는 것이 가장 좋겠지만, 의지가 약하다고 지레 포기하진 말자. 여기 ‘적당히’의 선을 몸소 알려주는 술잔이 있다.

가득 참을 경계하는 잔 계영배. 사진은 국립과천과학관의 전시물.

경계할 계(戒)! 가득 찰 영(盈)! 계영배는 가득 참을 경계하는 잔이다. 겉으로 보기에는 일반 술잔과 비슷하지만, 어떤 술이든 이 잔에 7부 선 이상 채우면 밑바닥 구멍으로 술이 모두 새어나간다. 물론 7부가 되기 직전까지만 따르면 술을 온전히 마실 수 있다

서양의 계양배, 피타고라스의 컵. 

계영배는 고대 중국에서 하늘에 정성을 드리는 제천의식을 위해 만들었던 ‘의기(儀器)’에서 유래됐다. 이 잔은 상징적으로 인간의 끝없는 욕심을 경계해야 한다는 의미를 지니고 있다. 우리나라에서는 조선 후기 실학자이자 과학자였던 하백원(1781~1845)과 도공 우명옥이 비슷한 시기에 계영배를 발명했다고 알려져 있다. 이 잔은 훗날 조선후기의 거상(居常) 임상옥(1779~1855)에게 전해진다. 그는 천재적인 상업수완으로 조선 역사상 전무후무한 거상으로 기록돼 있는데, 아이러니하게도 탐욕스럽게 재산을 모은 것이 아니라 계영배를 곁에 두고 인간의 과욕을 늘 경계했다고 한다.

참고로, 서양에도 계영배와 같은 잔이 존재했다. 고대 그리스의 철학자이자 수학자 피타고라스(?B.C.580~?B.C.500)가 만들었다고 해 피타고라스의 컵으로 불리는 이 컵은 Greedy(탐욕스러운, 욕심 많은) 컵, Fairness(공정) 컵, Tantalus(탄탈로스)의 컵이라고도 불린다. 이때 탄탈로스는 물이나 액체가 부풀어 오르다가 일정 한계에 이르면 모두 쏟아져 버리는 화학실험기구인 ‘탄탈로스의 접시’에서 유래됐다.

계영배의 단면. 가운데, 잔 높이의 7부쯤 되는 관이 달려있다. 사진은 국립과천과학관의 전시물.

계영배의 원리는 액체의 압력과 대기압, 중력의 상관관계를 이용한 것이다. 계영배 안쪽을 보면 일반 잔과 다른 점이 있다. 바로 잔 높이의 7부쯤 되는 관이 중심부분에 달려 있는 것이다. 술이 7부 능선을 넘었을 때 바닥의 구멍으로 흘러버리는 이유가 바로 여기에 있다. 술이 잔에서 일정 높이만큼 올라와 있다는 것은 그 높이일 때 관 안의 대기압과 (위로 솟아 오르려는) 액체의 압력이 같다는 것을 의미한다.

그러다 술의 높이가 관의 높이, 즉 7부 지점을 넘어서게 되면 술이 흘러내리기 시작한다. 정점을 넘어 긴 관으로 술이 이동한 후에는 액체의 압력이 중력의 방향과 같아지면서 계속 아래로 흐르게 된다. 거기에 더해, 일단 물이 빠지기 시작하면 관 내부는 술이 빠져나간 것만큼 진공이 생기고, 바깥과의 기압차가 생기면서 잔 내부의 술이 모두 관 속으로 빨려 들어간다. 때문에 7부를 살짝 넘긴 후 술 따르는 것을 바로 멈추더라도 술은 바닥의 구멍으로 모두 빠져나가 버리는 것이다.

이것이 바로 사이펀(siphon)의 원리다. 사이펀은 U자 모양으로 굽은 관으로, 한 쪽은 길고 다른 한 쪽은 짧은 모양이다. 이 관을 이용하면 액체가 들어있는 병이나 통을 직접 움직이지 않고도 높은 곳에 있는 액체를 낮은 곳으로 옮길 수 있다. 액체는 원래 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르지만 사이펀에서는 높은 곳의 물이 더 높은 곳을 지나 낮은 곳으로 내려온다. 높은 곳의 물 액면에 작용하는 대기압으로 인해 액체가 밀어올려지는 원리를 이용한 것으로, 낮은 곳의 물 액면에도 대기압이 작용하고 있으나, 두 액면의 높이 차 만큼 압력이 약하므로 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 된다.

사이펀의 원리. 사이펀은 U자 모양으로 굽은 양쪽 길이가 다른 관으로, 사이펀을 이용하면 대기의 압력과 중력을 이용해 높은 곳의 물을 낮은 곳으로 옮길 수 있다.

위 실험에서 종이컵과 빨대로 간이 계영배를 만들어 보았다. 구부러진 빨대가 사이펀의 역할을 하는데, 짧은 쪽은 종이컵 바닥에서 약 1cm 가량 떨어져 있고 긴 쪽은 바닥 중앙에 구멍을 뚫고 바깥으로 살짝 튀어나와 있다. 음료를 빨대의 맨 윗부분 직전까지 부었을 때는 음료가 그대로 남아있다. 이때는 짧은 빨대의 안쪽과 바깥쪽의 음료 높이가 같다. 이후 빨대가 살짝 잠길 정도로 음료를 붓자, 잠시 후 종이컵 아랫부분의 투명한 컵으로 음료가 모두 흘러나오는 것을 볼 수 있다. 이때는 음료가 빨대 안쪽의 최고점을 지나 긴 빨대 쪽으로 넘어가면서 빨대 안이 음료로 가득 차, 중력의 영향을 받아 구멍을 통해 계속 새어나오게 된다. 이때 음료가 빠진 만큼 빨대 내부는 진공이 생기면서 바깥쪽과 기압차가 생기게 될 것이다. 따라서 음료를 더 붓지 않아도 짧은 빨대 안으로 컵 내부의 음료가 계속 들어오는 것이다.

계영배 실험의 원리. 
액체가 관의 정점에 닿기 전에는 관 안의 대기압과 액체의 압력이 같다. 그러다 관의 액체가 관의 정점을 지나면 액체의 압력이 중력과 방향이 같아지면서 액체가 이동하기 시작한다.

음료가 더 이상 흐르지 않을 때 종이컵 안을 살펴보면, 종이컵 바닥에서 약 1cm가량 높이로 음료가 남아있는 것을 볼 수 있다. 이 높이는 구부린 빨대의 짧은 쪽이 컵 바닥에서 떨어져 있는 높이와 동일하다.

우리생활 곳곳에는 사이펀의 원리를 응용한 제품들이 많이 사용되고 있다. 가장 쉽게 볼 수 있는 것이 수세식 변기다. 우리가 변기를 사용 후 밸브를 내리면 물은 항상 같은 위치까지 올라온다. 18세기 영국의 수학자 커밍이 배수 파이프를 위쪽으로 구부려 밑에서 올라오는 냄새를 차단하고 물을 저장하는 방법을 생각해 냈다. 이 역시 사이펀의 원리로, 변기 안에 진공 곡관을 만들어 놓았기 때문에 가능하다. 변기 밸브를 누르면 변기 물탱크 속 물이 밀려 내려와 곡관을 넘게 되고, 변기 속 물이 빨려 내려가게 된다. 그리고 다시 곡관 높이까지만 물이 차게 되는 것이다.

변기 속 사이펀 관. 
밑에서 올라오는 냄새를 차단하면서 물을 저장하는 목적으로 사이펀 관을 적용했다.

물이나 기름을 옮기는 펌프도 사이펀의 원리를 이용한 것이다. 펌프를 눌러 손잡이 부분까지 액체를 빨아올리면 액체가 든 통을 기울이지 않아도 다른 통으로 액체를 옮길 수 있다. 세면대와 싱크대 아래 부분에 있는 U자 혹은 P자 배수관에도 사이펀의 원리가 숨어있다. 이 구부러진 부분에는 물이 항상 일정량 담겨 있어 하수구 냄새가 역류하거나 벌레가 올라오는 것을 막아준다.

사이펀의 원리를 이용해 커피를 추출하는 커피기구도 있다. 하단의 플라스크(Flask) 볼에 물을 넣고 끓여서 증기의 압력에 의해서 진공관을 따라 분쇄된 원두가 들어있는 상단의 볼로 올라가게 된다. 그런 후 불을 끄면 하단의 플라스크(Flask) 속에는 공기가 냉각되면서 진공상태에 의해 윗 플라스크의 커피를 빨아들이게 된다. 이렇게 진공상태로 빨려들어 가는 가운데 필터에 의해 커피만 걸러져 추출된다.

'사이펀 커피 추출기'로 불리는 이 장치는 원형 플라스크 윗부분에 원두를 갈아놓은 용기가 달려 있다. 이때 원두를 갈아놓은 윗부분 용기에는 사이펀 튜브가 장치돼 있다. 하단의 플라스크에 물을 담고 가열을 하면 물이 수증기로 변하며 부피가 커지고, 더불어 압력도 증가하게 된다. 압력 차로 인해 가열된 물이 사이펀 튜브를 따라 중력을 무시하고 위로 올라가게 되고, 원두 용기의 필터를 통과하며 커피와 접촉하게 된다. 가열을 멈추면 하단 플라스크 속 공기가 냉각되면서 진공상태가 돼 원두 용기의 커피를 빨아들이게 된다.

사이펀의 원리를 이용한 사이펀 커피 장치.

 

0. 실험재료
▶ 구부러지는 빨대, 고무줄, 플라스틱컵, 종이컵

▶ 폼보드, 송곳, 나무송곳, 칼, 본드, 음료수