 [시선뉴스 조재휘 / 디자인 이고은 pro] 볼일을 보거나 씻기 위해 하루에도 몇 번씩 화장실을 들락날락 한다. 그런데 무심코 사용하는 변기에 대해 의문점을 가져본 적이 있는가. 밸브를 누르면 물이 내려간 다음 다시 깨끗한 물이 위쪽으로 일정량 차오른다. 하지만 여기에도 비밀이 숨어있는 가운데 어떤 과학적 원리가 있는지 찬찬히 살펴보자. 우리가 흔히 쓰고 있는 수세식 변기는 1596년 존 해링턴 경에 의해 발명되었다. 변소에 급수 장치를 하여 오물이 물에 씻겨 내려가도록 처리했으며 엘리자베스 여왕의 궁전에 처음 설치했다. 그리고 변기뿐만 아니라 싱크대나 세면대에도 배수관이 U자나 P자 모양을 하고 있는 것을 볼 수 있다. 이렇게 관이 구부러진 덕분에 하수구 냄새가 역류하고 벌레가 올라오는 것을 막아준다. 그렇다면 변기에 물을 내리면 어떻게 다시 물이 차는 것일까? 먼저 ‘사이펀의 원리’를 알아야 한다. 사이펀이란 높은 곳에 있는 액체를 기압차와 중력을 이용해 낮은 곳으로 옮길 수 있도록 만들어진 관을 말한다. 높은 곳과 낮은 곳을 연결한 관이 액체로 가득 찬 상태라면 사이펀의 원리에 의해 액체가 빨려 나가며, 이러한 현상을 사이펀 작용이라고 한다. 수세식 변기의 물을 내리면 저절로 물이 적당히 차오르는 것에도 다 원리가 있다. 여기에는 지렛대의 원리를 이용했다. 밸브를 아래로 누르면 지렛대의 원리에 의해 물탱크 바닥에 있던 구멍의 마개가 위로 들어 올려진다. 이때 물탱크의 물이 변기로 내려오게 되고 물이 빠져나가면서 물탱크의 수압이 낮아지면서 수압이 높은 급수관의 물이 다시 물탱크를 채우게 된다. 변기에서 S자 커브 배수관을 ‘웨어’라고 부르는데 이 경사진 부분이 물의 높이를 고정시켜 변기 안의 물 높이가 항상 일정하게 유지된다. 물탱크에서 갑자기 물이 쏟아져 내려오게 되면 고여 있던 변기 물의 높이가 올라가면서 웨어를 넘게 된다. 물이 배수관을 따라 흐르면 배수관은 진공상태가 되고 이후 다시 물이 흐르기 시작하면서 진공 상태를 없애는 연쇄반응으로 변기 안에 있는 배설물을 쓸어내린다. 그리고 이런 배설물과 물이 배수관을 빠져나가면 다시 물이 차면서 원래 상태가 된다. 변기가 막혔을 때는 공기의 압력 차에 의해 관 아래쪽에 있는 많은 양의 공기를 관 속으로 순식간에 주입함으로써 물의 흐름을 막는 장애물을 밀어낸다. 이때 장애물이 관 내벽과 마찰을 일으키면서 크기나 모양이 변형돼 빠져나갈 수 있게 되는 것이다. 기구의 고무 부분과 관 속의 기압 차가 클수록 작용하는 힘이 강해지기 때문에 공기를 빼낼 때는 기구를 눌러 되도록 완전히 빼내고 당길 때도 확실히 당겨 줘야 막힌 변기가 잘 뚫린다. 최근에는 수세식 변기가 물을 내릴 때 사용되는 물의 양이 많다는 단점이 있어 이런 대안을 찾기 위한 연구도 진행 중이다. 미생물을 이용해 똥과 오줌을 발효시켜 비료로 만드는 자연발효 방식도 하나의 방법으로 떠오르고 있다. 머지않은 미래에는 또 어떤 모습의 변기가 탄생할지 기대가 된다. 저작권자 © 시선뉴스 무단전재 및 재배포 금지 변기의 구조, 그리고 변기의 원리 저희 블로그 유입 검색어 중 종종 "변기 원리" 또는 "변기 구조"를 보게 됩니다. 저 역시 변기 구조는 늘 보기 때문에 잘 알지만 변기의 원리에 대해서는 깊이 생각해 보지 않았다는 점을 솔직히 고백해야 겠습니다. 그리고, 변기의 원리에 대해 알아보면서 우리 생활에 밀접히 녹아 있는 과학과, 그것을 가능하게 해 준 자연의 '법칙'에 대해서도 감탄하게 되었습니다. - 변기의 구조 크게 본다면 변기에는 물을 저장하는 탱크(tank or cistern)와 변기통(toilet bowl)이 있습니다. 그리고 탱크는 깨끗한 물이 유입되는 관이 연결되어 있고, 반대로 변기통은 물과 함께 오물이 흘러내려갈 오수관이 연결되어 있습니다. 그런데 오물이 오수관으로 빠져나가기 전, 다량의 물과 함께, 오물은 변기의 S트랩을 지나가게 됩니다. 바로 이 곳에서 유명한(?) 사이펀의 원리가 사용됩니다. - 왜 S트랩일까? 수세식 변기가 발명되었어도 여전히 변기의 관을 타고 집안으로 역류하는 분뇨 냄새와 독한 가스는 문제가 되었다고 합니다. 하지만 1775년, 알렉산더 커밍(Alexander Cummings)이 사이펀의 원리를 이용한 S트랩을 발명함으로 그 문제가 해결되었고, 오늘까지 사용되고 있습니다. S트랩은 항상 일정량의 물을 변기 내부의 관과 통 안에 가두어 두도록 만들기 때문에 오수관에서 올라오는 역한 냄새와 가스를 막아주는 역할을 하게 되지요. S트랩을 자세히 살펴보면 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로, 그러니까 변기 통에서 오수관으로 쭉 빠져나가도록 만든 것이 아니라 반대로 중력을 거슬러, 위로 올라갔다가 내려가는 구조로 되어 있습니다. 어떻게 물이 중력을 거스르고 계속 흘러갈 수 있을까요? - 사이펀의 원리 사이펀의 원리에 대해서는 다음의 블로그에서 명료하게 설명해주고 있습니다. http://wblog.tistory.com/26
즉, 물이 이동하면서 압력이 감소하게 되는데 그러면 높은 곳에 있는 물의 수면을 대기압이 누르기 때문에 물은 사이펀 관을 통해 지속적으로 이동을 하게 됩니다. 그리고 아래쪽 통에 연결된 관에는 중력이 작용하여 물이 아래로 떨어지는데 그렇게 관 속의 압력이 대기압보다 더 낮게 유지되면서 물은 지속적으로 이동할 수 있습니다. 그러다가 높은 곳에 있는 물의 표면이 관의 입구까지 내려가면 물의 이동이 끝나게 됩니다. 아래에서 사이펀의 원리를 설명하는 그림과 변기의 S트랩 구조를 비교해 보시기 바랍니다. 그림1. 사이펀의 원리 그림2. 변기의 S트랩 구조 변기 통 안의 물은 항상 같은 위치까지 올라옵니다. 변기에 물을 한 바가지를 부어도 그 만큼의 물은 흘러가고 다시 정해진 위치까지 높이가 유지됩니다. 바로 위에서 말한 사이펀의 작용에서 높은 곳에 있는 물의 표면이 관의 입구까지 내려가면 물의 이동이 끝나게 되는 원리때문입니다. 즉, S-trap의 곡선이 시작되는 부분까지 변기 통 내부의 물이 유지되는 것입니다. (그림2 참조) 그림3. 사이펀 작용 그러다가, 변기의 레버를 눌러서 많은 양의 물을 한꺼번에 내리면 물이 변기 통으로 흘러나오게 되고 변기 통안의 물은 수위가 높아집니다. 그리고 이는 수위가 높은 변기 통안의 물들이 s-trap의 첫번째 곡선 구간을 넘어가면서 사이펀의 작용으로 물이 이동하는 흐름이 시작되게 만들지요. 물이 이동하면서 압력이 감소하고, 변기 통 내부의 수면에 작용하는 대기압의 누르는 힘으로 인해 물은 계속 사이펀 관, 즉 s-trap으로 이동하고, 사이펀 관의 반대쪽에는 중력이 작용하게 되어 물의 지속적인 흐름이 가능해집니다. (그림3 참조) 그러다가 변기 통 내부의 물의 수위가 다시 s-trap의 곡선이 시작되는 부분까지 낮아지면 물의 흐름이 끊어지게 됩니다. (그림2 참조) 이렇게 중력과 대기압, 그리고 사이펀 작용이 어우러져 우리가 편리하게 사용할 수 있는 오늘날의 변기가 만들어졌습니다. 쉽게 설명해보려 했는데 쉽지 않았네요 ^^; 더 자세한 내용은 아래의 참조문헌들을 통해서 직접 읽어보실 수 있습니다. <참조문헌> 1. "Wikijunior:How Things Work/Flush Toilet" (https://en.wikibooks.org/wiki/Wikijunior:How_Things_Work/Flush_Toilet) 2. "Flush Toilet" (https://en.wikipedia.org/wiki/Flush_toilet) 3. "사이펀 원리" (http://hasd.tistory.com/entry/%EC%82%AC%EC%9D%B4%ED%8E%80-%EC%9B%90%EB%A6%AC) <그림출처> 그림1. By User:Tomia (Own work) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/) or CC BY 2.5 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.5)], via Wikimedia Commons 그림2, 3. www.smarterflush.com |
변기물 내려가는 원리 - byeongimul naelyeoganeun wonli
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