Video: 장마 속에 숨은 기술 이야기 | 우산·자동차·통신·도시를 움직이는 공학 비가 오면 인터넷이 느려진다? | 당신이 몰랐던 장마철 공학 이야기
Channel: 안될공학 - IT 테크 신기술
Duration: 14m 22s
Source: subtitle (auto, ko)
Transcript:
여러분 안녕하세요. 패치입니다. 드디어 장마가 시작되었습니다. 아침에 집을 나설 때 우산을 챙기고 운전할 때는 평소보다 속도를 조금 줄이고 최근에서는 에어컨의 재습 버튼부터 누르게 되죠. 그런데 조금 이상하지 않나요? 비는 그냥 하늘에서 물이 떨어지는 자연 현상인데 왜 장마가 시작되는 순간에 우리 주변의 기술들은 갑자기 서로 다른 방식으로 바빠지기 시작할까요? 사실 장마는 비가 내리는 계절이 아니라 물을 다루는 기술들이 동시에 깨어나는 계절입니다. 재밌는 건 같은 물이라도 장소가 바뀔 때마다 완전히 다른 존재가 된다는 건데요. 오늘은 장마를 공학자의 시선으로 따라가 보도록 하겠습니다. 첫 번째는 어깨 위에 물을 다루는 기술인데요. 그건 바로 우산이죠. 우리는 우산을 비를 막는 도구라고 생각합니다. 그런데 공학자의 눈에는 조금 다르게 보여요. 우산이 진짜 상대하는 건 물이 아니라 공기거든요. 비는 그냥 아래로 떨어질 뿐입니다. 하지만 바람이 불기 시작하면 이야기가 좀 달라지는데요. 공기가 우산의 공면을 따라서 흐르면서 위쪽이랑 아래쪽에 압력이 달라지기 시작하거든요.

특히 돌풍이 우산 아래쪽으로 파고 들게 되면 우산 안쪽에 압력이 순간적으로 높아지게 되고 그 압력 차가 우산을 통째로 뒤집으려는 힘으로 바뀌는데요. 그래서 우산이 뒤집히는 이유는 단순히 바람이 세기 때문이 아니라 우산이 견뎌야 하는 압력차가 그 우산 살 때가 버틸 수 있는 한계를 넘어섰기 때문이죠. 공학에서는 이런 힘을 압력 분포라고 계산을 하는데요. 우산 하나에도 작은 풍동실험이 숨어 있는 셈이에요. 그런데 여러분, 비싼 우산을 보면 특이한 것이 하나 있거든요. 그 우산 지붕에 작은 틈이나 구멍을 보신 적 있으세요? 처음 보면 어, 이거 뭐야? 구멍 뚫렸네. 비세는 거 아니야라고 생각하기 쉽죠. 그런데 오히려 그 구멍 때문에 우산이 더 튼튼해지는 거랍니다. 아래쪽에 쌓인 공기를 일부러 위로 빼내면서 압력차 자체를 줄여 버리기 때문이죠. 힘을 더 버티는 설계가 아니라 애초에 힘이 생기지 않게 만드는 설계. 공학에서는 이런 쪽을 훨씬 좋은 설계라고 봅니다. 네. 방금까지 하늘에서 떨어지던 물은 우산 위에서 어느새 압력이라는 힘이 되었는데요.

그런데 그 물이 바닥에 닿는 순간 이번에는 또 다른 모습으로 바뀌게 됩니다. 그럼 우산을 적고 길을 나가 볼까요? 이번에는 바퀴 밑에 물입니다. 비 오는 날 운전이 위험한 이유를 물어보면 대부분은 어 그건 마찰력이 줄어들어서 아닌가요?라고 대답을 하시죠. 물론 틀린 말은 아닌데요. 하지만 조금 더 정확하게 표현을 해 보자면 어느 순간부터는 마찰이 줄어드는게 아니라 마찰 자체가 사라져요. 자동차가 달릴 때 타이어는 노면 위에 물을 계속 옆으로 밀어내면서 아스팔트를 붙잡고 있죠. 그런데 속도가 빨라지면 빨라질수록 물을 밀어낼 시간이 점점 부족해져요. 그러다가 결국 어느 순간 물이 빠져나가지 못하고 타이어 앞에서 쇠기 모양으로 쌓이기 시작을 하는데요. 그러면 그 물이 타이어를 아주 살짝 들어올립니다. 이때부터 자동차는 아스팔트 위를 달리는 것이 아니라 물 위를 미끄러지기 시작을 해요. 이게 바로 수막 현상인데요. 흥미로운 건이 현상이 만들어내는 물리 자체는 기계 공학에서는 아주 익숙한 원리라는 점이에요. 엔진 안에서는 회전축이랑 베어링 사이에 아주 얇은 기름막을 만들어서 금속끼리 닿지 않도록 보호를 하죠.

이걸 바로 유체 윤활이라고 하는데요. 기름이 축을 살짝 띄어 주는 거예요. 그런데 장마철에는 같은 물리 현상이 기름 대신에 물로 그리고 엔진 안이 아니라 타이어 밑에서 일어납니다. 평소에는 기계를 보호하던 원리가 장마철에는 자동차를 위험하게 만드는 거죠. 그래서 타이어 홈은 단순한 디자인이 아니에요. 고속으로 달릴 때 접지면에 들어온 물을 밖으로 계속 밀어내는 배수 장치인 겁니다. 홈이 깊을수록 물은 빠르게 빠져나가고 접지면은 다시 아스팔트를 붙잡습니다. 반대로 타이어가 많이 밝게 되면 물이 빠져나갈 통로도 함께 사라지는데요. 그래서 법정 마무 한 개인 1.6mm 부근에서는 평소보다 수막 현상이 훨씬 쉽게 발생을 한답니다. 그리고 여기서 하나 더 재밌는 사실이 있는데요. 많은 분들이 생각을 해요. 그럼 공기압을 조금 높이면 괜찮지 않을까? 그런데 실제로 공기압은 수막 현상이 시작되는 속도에 영향을 줍니다. 하지만 그 효과는 생각보단 크지 않은데요. 안전 속도를 크게 높이려면 현실적으로 불가능할 정도의 높은 공개압이 필요하기 때문이에요.

그래서 실제로 더 중요한 것은 속도를 줄이는 거. 그리고 쓰레드가 충분히 남아 있는 타이어를 사용하는 것. 자동차가 비 오는 날 가장 먼저 하는 일도 결국은 물을 치우는 일인 셈이에요. 그런데 또 재밌는 건 물이 방금까지는 자동차를 떠받치는 얇은 마귀였는데요. 조금만 시선을 위로 올리게 되면 이번에는 또 전혀 다른 모습으로 나타나게 돼요. 이번에는 바로 전파 속의 물입니다. 여기에서 질문 하나 드려 볼게요. 비가 오면 휴대폰 신호가 약해질까요? 여러분, 많은 분들이 체감상일지 몰라도 한 번쯤은 그렇게 느껴 보셨을 거예요. 한국에서는 꼭 그렇다고 말하기는 어려운데요. 우리가 집에서 사용하는 와이파이는 대부분 2.4GHz나 아니면 5GHz 대역이고요. 국내 5G도 대부분 3.5GHz 대역을 사용합니다.이 정도 주파수에서는 장마철의 비 자체가 신호를 크게 약하게 만들진 않아요. 오히려 우리가 체감하는 통신품질은 기지국과의 거리, 건물의 벽, 그리고 사람이 몰리는 시간대 이런 요소들의 영향을 훨씬 더 많이 받습니다.

그래서 적어도 국내에서는 비가 와서 5G가 느려졌다라고 단정하기는 좀 어려운데요. 그렇지만 통신 공학에서는 여전히 비를 아주 중요한 변수로 다뤄요. 왜냐하면 주파수가 더 높아지는 순간부터 이야기가 완전히 달라지기 때문인데요. 우리나라에서는 28GHz 5G가 일반적인 상용 서비스로 자리 잡지는 못했습니다. 안 될공하게 지난 영상에서도 다뤘었죠. 그런데 미국 일부 지역에서는 밀m 웨이브 5G가 운용이 됐고요. 앞으로 연구되고 있는 6G 그리고 위성 통신에서는 이런 초고주파 대역이 계속 사용이 됩니다. 그리고 여기에서는 B가 실제로 성능을 좌우하는 아주 중요한 요소가 돼요. 그 이유는 바로 파장의 길이에 있는데요. 비 오는 날 떨어지는 빗방울은 보통 지름이 1에서 3mm 정도입니다. 2.4GHz 와이파이의 파장은 약 12cm. 빗방울보다 수십나 더 크죠. 마치 거대한 파도가 작은 자갈 몇 개를 지나가는 것이랑 비슷한데요. 물방울 하나하나의 영향을 거의 받지 않고 지나갑니다. 그런데 주파수를 28Hz까지 올리게 되면 파장은 약 1cm 정도까지 짧아져요.

이제는 이야기가 완전히 달라지죠. 파도의 크기랑 장애물의 크기가 비슷해지기 시작을 하는 거예요. 전파는 빗방울에 부딪혀서 여기저기로 흩어지고 일부 에너지는 물속으로 들어가 버립니다. 공학에서는 앞에 현상을 산란 그리고 뒤에 현상을 흡수라고 부르는데요. 흡수가 조금 더 흥미롭습니다. 물 분자는 극성을 가진 분자죠. 주변 전기장이 방향을 바꾸면 자신도 그 방향을 따라서 회전을 하려고 합니다. 그런데 전파는 초당 수십억 번씩 방향을 바꾸죠. 물 분자는 그 움직임을 완전히 따라가지 못하고 계속 흔들리면서 서로 부딪히게 돼요. 그 과정에서 전파의 에너지가 조금씩 열로 변하는데요. 어, 그러니까 전자레지가 물을 데우는 것도 결국 같은 원리예요. 물론 전자렌지는 훨씬 높은 출력으로 아주 가까운 거리에서 작동을 하기 때문에 효과가 훨씬 더 강한 거고요. 비는 공기 중에 물이 아주 얇게 퍼져 있기 때문에 우리에게 따뜻하게 느껴질 정도는 아닙니다. 하지만 그 원리는 같은데요. 그래서 비가 거세질수록 또 주파수가 높아질수록 전파 손실도 함께 커지게 됩니다.

공학에서는이를 강세라고 해요. 레인페이드인 거죠. 그렇다면 이런 초고주파 통신은 비만 오면 사용할 수 없게 되는 걸까요? 그렇지는 않겠죠. 공학은 문제를 피하기보다 문제를 견디는 방법을 먼저 찾습니다. 대표적인 얘가 위성 인터넷인데요. 우리 스타링크를 한번 생각을 해 볼게요. 위성은 우리 집에 안테나까지 신호를 보내기 위해서 몇 km 두께의 비구름을 통과를 해야 돼요. 조건만 보면 지상의 기지국보다 훨씬 불리하겠죠. 그런데도 대부분의 날에는 문제없이 인터넷을 사용할 수가 있어요. 비밀은 바로 두 가지입니다. 첫 번째는 미리 여유를 준비하는 것. 공학에서는 이거를 바로 페이드 마진이라고 하는데요. 맑은 날에도 일부러 신호 세기를 조금 더 확보해 두는 거죠. 비가 오면 그 여유를 조금씩 조금씩 사용을 하면서 버티게 됩니다. 그래서 통신망을 설계를 할 때는요. 얼마나 빨라야 하나 이런 거보다음 1년에 몇 시간까지 끊기는 것을 허용할 것인가를 먼저 결정을 하게 돼요. 99.9%의 가동률을 목표로 할 것인지 아니면 99.99%를 99%를 목표를 할 것인지에 따라서 필요한 안테나 크기, 송신 출력, 설치 비용까지 모두 달라지게 된답니다.

통신 품질은 기술만의 문제가 아니라 경제성의 문제이기도 한 거예요. 두 번째는 상황에 따라서 통신 방식을 스스로 바꾸는 것인데요. 신호가 좋을 때는 한 번에 많은 정보를 실어 보내고요. 하지만 포구가 쏟아져서 신호가 약해지면 속도를 조금 포기하는 대신에 더 튼튼한 변조 방식으로 자동 전환하는 거죠. 오류를 고치는 코드도 많이 붙이게 됩니다. 한마디로 빠르게 보내는 것보다 끝까지 도착하는 거를 선택을 하는 거예요. 우리가 비 오는 날 영상 화질이 잠깐 낮아지는 이유도 어떤 경우에는 바로 이런 선택 때문일 수도 있습니다. 정리를 해 보자면 한국에서 평소 사용하는 5G가 장마 때문에 크게 느려지는 경우는 많지 않은데요. 하지만 앞으로 더 높은 주파수를 사용하는 통신. 그리고 위성 통신에서는 B는 지금도 앞으로도 반드시 넘어야 하는 중요한 공학적인 문제입니다. 조금 전까지 물은 자동차 밑에서 우리를 미끄러지게 만드는 얇은 마귀였죠. 그런데 이번에는 공기 속에서 눈에 보이지 않는 전파를 흔드는 장애물이 되었고요.

그리고 이제 그 물은 마지막으로 우리 발밑에서 가장 거대한 모습으로 변합니다. 이번에는 도시 전체를 흐르는 물인데요. 우리는 도시를 콘크리트와 건물의 집합이라고 생각하기 쉬워요. 하지만 토목 공학자의 눈에는 이게 조금 다르게 보입니다. 도시는 거대한 유체 시스템이에요. 여기서 재밌는 사실 하나가 있는데요. 같은 양의 비가 내려도 숲이랑 도시는 전혀 다른 결과를 만들게 돼요. 숲에서는 빗물의 상당수가 흙으로 숨며들게 되고 그래서 나무가 일부를 붙잡고 흙이 일부를 또 흡수하고 그리고 나서 나은 물만 천천히 하천으로 흘러가게 되죠. 하지만 여러분 도시는 달라요. 아스팔트, 콘크리트, 보드블락, 주처장 물이 스며들 수 있는 공간이 거의 없어요. 그래서 같은 비라도 도시에서는 훨씬 많은 물이 한꺼번에 흘러나오게 됩니다. 공학에서는 이거를 유출 계수라는 개념으로 표현을 하는데요. 숲은 비가 내려도 대부분을 품어 주지만 도시는 내린 비를 거의 그대로 흘려보내게 돼요. 어찌 보면 도시는 스스로 홍수를 만들어내는 구조를 갖고 있는 셈이라고 볼 수 있어요.

그래서 토모 공학은 비를 막으려 하지 않는 대신에 어 물을 어디로 얼마나 빨리 어떻게 보낼 것인가를 설계를 하게 됩니다. 우리가 아무 생각 없이 걸어가는 도로도 사실은 아주 미세한 경사를 갖고 있는데요. 눈으로 보거나 몸으로 거의 느껴지지가 않지만 그 몇 %의 경사가 빗물을 빗물 바지까지 계속 흘려보내는 거예요. 도로 옆에 작은 빗물바지도 그냥 구멍이 아닙니다. 포구가 내려도 나뭇잎이나 쓰레기에 쉽게 막히지 않도록 그리고 물을 회전시키지 않고 자연스럽게 빨아들이도록 격자의 간격이랑 모양까지 계산을 해서 만드는데요. 그리고 그 아래에는 거대한 하수관이 이어집니다. 여기에서 하나 의외의 사실이 있어요. 많은 분들은 하수관이 물이 꽉 찼을 때 가장 많은 물을 보낼 것 같다고 생각을 하는데요. 실제로는 그렇지 않다고 합니다. 하수관은 일부 공간을 비워 두는 편이 더 효율적이라고 해요. 물이 흐르려면 공기도 함께 움직여야 하기 때문인데요. 또 갑작스러운 포구가 와도 그 남은 공간이 완축 역할을 하게 됩니다. 그래서 평소에는 일부러 여유를 두고 운영하는 경우가 많아요.

하지만 아무리 잘 만든 도시도 무한한 비를 견딜 수는 없겠죠. 그래서 도시는 애초부터 기준을 정해 놓는데요. 예를 들어서 30년에 한 번 올 정도의 포구 아니면 50년에 한 번 또는 100년에 한 번 이런 식으로 어느 정도 규모까지 감당할 것인지를 먼저 정해야 합니다.이를 설계 빈도라고 하는데요. 물론 자연은 설계 기준은 전혀 신경 쓰지 않죠. 그보다 더 큰 비가 오면 그때부터는 도로가 임시 물길이 되고 공원이 물을 잠시 저장하고 저류조가 넘치는 유량을 받아냅니다. 조금 의해일 수도 있지만 이거 역시 도시가 미리 준비한 대응 방식이에요. 모든 비를 완벽하게 막겠다는 것이 아니라 피해를 가장 작게 만드는 방향으로 물을 흘려 보내는 거예요. 최근에는 여기에 새로운 기술도 더해지고 있는데요. 비가 오면 센서가 수를 실시간으로 측정을 하고 강우 레이더가 이동 방향을 예측을 하고 AI가 펌프와 수문을 제어를 하면서 어느 지역에 물을 먼저 빼야 하는지를 계산하기 시작합니다. 예전에는 물을 빨리 내보내는 것이 목표였다면 이제는 홍수의 최고 수위를 낮추는 것이 목표가 되고 있습니다.

물을이기는게 아니라 물을 분산시키는 거죠. 자, 우리는 오늘 같은 물을네 번 만났는데요. 처음에는 우산 위에 쏟아지는 압력이라는 힘이었고 자동차 아래에서는 미끄러운 수막이었고 공기 중에서는 전파를 흔드는 장애물이었고요. 마지막에는 도시를 통지로 움직이는 거대한 흐름이었습니다. 가끔은 공학이라고 하면 AI, 반도체, 우주선, 로봇 뭐 이런 것처럼 최첨단 기술 그리고 뭔가 무겁고 큰 기술부터 떠올리곤 합니다. 하지만 공학의 진짜 목적은 새로운 것을 만드는 것보다는 우리에게 당연한 하루하루를 지켜내는 것에 가까운지도 몰라요. 우산이 뒤집히 차가 미끄러지지 않고 통신이 끊기지 않고 우리가 살아가는 도시가 잠기지 않는 것. 우리는 오늘도 별일이 없었네라고 말합니다. 하지만 사실 그 별 일이 없었던 무사한 하루 뒤에는요. 유체역학, 연력학, 전자기학, 토목공학, 그리고 수많은 엔지니어들의 계산이 조용히 일을 하고 있습니다. 장만은 단순히 비가 많이 오는 계절이 아니라 공학이 가장 눈에 띄지 않는 방식으로 가장 치열하게 일하고 있는 계절인지도 모르겠습니다.

오늘 집으로 향하는 길에는 빗물이 어디로 흘러가는지, 우산이 왜 뒤집히지 않는지, 우리가 아무 생각 없이 지나치는 도시가 어떻게 물을 다루고 있는지 한번 둘러보셔도 좋을 것 같네요. 분명 평소와는 조금 다른 풍경이 보일 겁니다. 그럼 꾸한 오늘도 마음만은 화창하시길 바라며 오늘은 여기까지 안델공학 패치였습니다. 입니다.