마찰의 과학 - 마찰이 우리 삶에 미치는 놀라운 영향

'트라이볼로지(Tribology: 마찰 공학)'라는 단어가 우습게 들리며 생소할지 모르겠지만, 마찰공학은 우리가 물리적 세상을 어떻게 바라보며 교감해야 하는지에 대한 새로운 방법을 제시할 수도 있다라고 기계공학자 제니퍼 베일은 말하고 있습니다. 그녀는 마찰과 마모를 연구하는 마찰공학에 대한 내용을 우리에게 알려주며 마찰공학이 우리의 일상에 얼마나 많은 영향을 주고 있으며 더 나은 세상을 만드는데 얼마나 많이 기여할 수 있는지 말하고 있습니다.

사람들이 저에게
직업이 뭐냐고 물어볼 때,

웃지 못할 상황들이 종종 벌어지는데요.

왜냐면 제 직업은 말 그대로
비비는 일이라고 말하기 때문이죠.

어떤 것들을 비비는 일이라니

말도안되는 얘기로 들릴 수도 있지만

엄연히 전문적인 명칭까지
있는 분야입니다.

바로 Tribology(마찰 공학)입니다.

T-r-i-b-o-l-o-g-y

이 명칭은 고대 그리스어의 'tribos'

즉, '비비다'라는
단어에서 파생했습니다.

이런 재미있는 이름의 학문은
들어보신 적이 없으시겠지만,

여러분께 장담하는데

마찰 공학을 발견하고 나면
세상이 완전히 달리 보이실 겁니다.

저는 이 분야에서
흥미로운 프로젝트를 많이 맡았습니다

날수 있는 물질에 관한 연구부터,
개 사료 관련 프로젝트도 진행했죠

이렇게 서로 다른 프로젝트를 한 사람이
단지 몇년에 걸쳐 할 수 있는 일인지

의아하게 들릴 수도 있을 겁니다.

마찰 공학이라는 렌즈를 통해서
세상을 보기 시작하기 전까지는 말이죠.

아마 여러분들은 놀라실 겁니다

정말 작은 부분의 마찰공학이
아주 커다란 문제를 해소하는데

중요한 역할을 할 수 있다는
점에서 말이죠.

마찰 공학은 마찰, 마모, 그리고
윤활을 연구하는 학문입니다.

여러분 이 세가지를
모두 경험해 보셨을 겁니다.

바닥에 놓인 무거운 물체를 밀어서
옮기려고 했을 때를 기억해 보세요

무언가 방해하고 있다는 느낌을
받지 않으셨나요?

그 무언가가 바로 마찰력입니다.

사물의 움직임에 저항하는 힘이
바로 마찰력입니다

마모는 물건이 닳거나
떨어져 나가는 현상입니다.

이것이 여러분이 아끼는 신발을
다시 사게 되는 이유죠.

왜냐면 신발 밑창이 마모되어
결국 닳아 없어지기 때문입니다.

윤활제은 마찰과 마모를
줄이는데 사용됩니다.

가령, 윤활제는 녹슬어서 꿈적이지도
않는 나사를 느슨하게 하죠.

한편, '상대 운동을 하는
두 표면 간의 상호 작용'으로도

마찰 공학을 정의할 수 있습니다.

'상대운동을 하는 표면간의 상호 작용'
이란 표현은 어렵게 들리지만

우리 주변에서도 흔히
관찰할 수 있는 것들인데요

지금 앉아서 발 꼼지락 거리고
계신 분들이나

의자에서 옴짝달싹하고 계신 분들,

모두 마찰 공학을 활용하고 계십니다.

여러분이 앉은 자리에서
아주 살짝 움직이셔도

두 표면 간의 상대 운동이 일어납니다.

또 여러분이 의자에서 움직이며
만들어 낸 상대 운동은

한 사람 한 사람이 다릅니다.

여러분이 입고 계신 옷의 소재가

여러분의 몸과 의자간의 마찰에
영향을 미치거든요.

지금 견소재를 입은 분들은
울소재를 입은 분들보다

의자에서 움직이시기가 수월할 겁니다.

견소재가 마찰을 덜 타기 때문입니다.

발목을 움직이고 까딱거리다가

똑딱 소리가 났던 적이 없으신가요?

다들 있죠?

일어나서 걸어다니다가
갑자기 관절에서 똑 소리가 나면

그게 다 마찰 덕분입니다.

그 소리는 관절을 윤활하게
해주는 체액이

순환하다보면 나는데

더 정확히는, 체액 내의 기포가
터지는 소리입니다.

힘줄들이 움직이다 부대낄 때에도
비슷한 소리가 납니다.

흔히 발목에서 나는 소리인 만큼

저처럼 발목을 까닥거리시다보면

문득 힘줄에 마찰의 공학이
어떻게 작용하는지 궁금해지지 않을까요?

그래서 저같은 마찰 공학자가 되려면
어떻게 해야 하냐고요?

물론 어려서 시작하는 게 상책이죠.

저는 어렸을 때 발레리나
지망생이었습니다.

어느 단계에 오르니 발끝으로 서는 게
가능해지더군요.

'푸앙트 자세'라고도 하죠.

푸앙트 자세로 춤을 추려면
화면에 보시는 예쁜 신발을 신어야 하는데

무대에서 굉장히
잘 미끌어지는 신발입니다.

발끝으로 서서 춤을 추다가
미끌어지거나 넘어지는 것은

최악의 상황이기 때문에

발레리나들은 송진이라는 것을
잔뜩 들고 다닙니다.

송진 가루를 바닥에 뿌리고 밟아서
신발을 가볍게 코팅하는 거죠.

송진은 나무 수액에서 추출하는 물질로

가루 상태로 바르면 물건의 표면을
덜 미끄럽게하는 효과를 냅니다.

발레를 배우다보면

송진을 얼마나 발라야 하는지는
금방 배웁니다.

부족하게 발랐다가는
신발과 무대 사이의 마찰이 부족해서

넘어지기 십상이고

운이 좋으면

그냥 실수 한 번 한 것으로 끝나지만

최악의 경우엔 부상으로 이어지니까요.

저는 이 때부터 마찰력을 조정해서
최적화하는 훈련을 한 셈입니다.

보시다시피, 마찰 공학자가 될
운명이었던 거죠.

(웃음)

저뿐만 아니라, 여러분도 어렸을 때
마찰 공학 훈련을 하셨습니다.

우리 모두 크래용이나 색연필을 쓰다가

세게 눌러서 칠하면 더 진한 색이
나온다는 것을 깨달았습니다.

세게 눌러서 칠한 크래용과 색연필은

더 빨리 닳아지기 때문에

더 자주 깎아야 한다는 것도
알게 되었습니다.

또 갓 왁스칠한 바닥을 보면

절대로 얌전히 지나갈 수 없었죠.

양말을 신고 미끌어지면

기막힌 슬라이딩이 가능하지만

맨발로는 어림없다는 것도 배웠습니다.

이처럼 어릴 적 우리 모두
마찰 조종의 달인들이었습니다.

어릴 때는 그렇다치고

어른이 된 지금은 또 어떤가요?

오늘 양치질을 한 번은 하셨을 겁니다.

그렇죠?

(웃음)

마찰 공학은 양치질에도 숨어있습니다.

치약과 칫솔은 우리의 이에서

플라크를 제거하고
마모시키는 기능을 합니다

참고로 저희 아버지가 치과의사신데요

가업을 이어받게 되리라곤
생각치도 않던 차에

플라크 제거 효율을 조사하는
실험 계발을 의뢰 받고보니

아버지와 일하는 분야가 겹치게 됐어요.

의뢰를 받을 때는
간단한 작업 같아 보였는데

마찰 공학적 관점으로 접근하려 하니

엄청나게 복잡한 작업이더군요.

치아의 단단한 재질과

잇몸, 치약, 칫솔 등의 부드러운 재질,

윤활제로 작용하는 침과 물의 구성,

양치하는 사람의 완력 등을 다양하게
고려해야 하는 작업이었습니다.

가령, 치약에 다이아몬드 가루를 넣으면

플라크 제거에는
분명 효과가 있을 겁니다.

문제는 이빨도 같이 제거되겠죠.

다시 말해, 플라크는 마모시키지만
치아와 잇몸에는 상처를 내지 않는

균형점을 찾는 것이 과제입니다.

양치질을 하는 이유는
우리가 식사를 하기 때문이죠.

식사 또한 우리가
규칙적으로 하는 행동입니다.

별로 유별날 게 없어 보이는데요.

하지만 식사 역시
마찰 공학의 관점으로 보면

단순하지만은 않습니다.

우리가 식사를 할 때
음식물은 쪼개지고 마모되며

치아, 혀, 침, 식도와
상호 작용을 합니다

그리고 이 상호 작용들은
곧 식사의 질을 좌우합니다.

어떤 음식을 처음으로 먹어보면서

이런 느낌을 받아보신 적이
있을 겁니다.

"아, 맛은 괜찮은데

질감이 맘에 안드네."

이러한 상황에서 마찰 공학자들은
윤활의 정도, 마찰 계수를 통해

음식의 식감과 질감이 어떻게
식사의 질을 좌우하는지를 연구합니다.

음식의 구성 성분을 조절하면

가령, 당이나 지방의 함량을 달리한다면

식감은 어떻게 달라지며

또, 그 변화를 어떻게 계량할 것인가?

이와 같은 문제에 답을 제시하는 것이
마찰 공학의 목표입니다.

연구실 한 편에서 제 동료들이

요거트의 지방 함량을 살피고 있을 때,

저는 반대편에서

강아지 사료를 연구하고 있었습니다.

여담이지만 연구실 냄새가
아주 근사했죠.

누구나 주기적으로 양치질을 하지만

애완동물을 양치시키는
사람은 얼마나 될까요?

성체 동물에 치주 질환이
흔하다는 점을 감안하면

애완동물 양치는 정말 필요한 습관이고

실제로 갈수록 많은 애완동물 주인들이
이를 실천하고 있습니다.

제 친구네 고양이는 어떻게 된 건지
양치질을 잘 참는다던데

안타깝게도 모든 고양이들이
그렇지는 않죠.

그래서 요즘엔 사료 회사들이

플라크 제거 기능이 있는 간식을
개발하는 추세입니다.

애완견을 기르시는 분들은

개한테 간식을 줬더니

한 입 만에 감쪽같이 사라진 광경을
보신 적이 있을 겁니다.

여기서 새로운 문제가 생기죠.

'한 입 만에 플라크를 제거하려면
어떻게 해야하는가'

저는 문제 해결을 위해 실험실내에서의
테스트를 구상해봤습니다.

치아, 플라크, 침 등

개의 구강구조를 본뜬 장치를 만들고

마찰과 마모 정도를 측정해서

간식이 얼마나 효과적으로
플라크를 제거하는지 연구했습니다.

마지막으로 애완견 양치시킨 게 언젠지
기억조차 안 나신다는 분들,

감사 인사는 받은 셈 치겠습니다.

그래서 마찰 공학은 그게 다냐고요?

마찰 공학이 적용되는 예시를
하나 더 들어보겠습니다.

여러분은 오늘 어떠한 형태로든
이동을 통해 강연장에 오셨습니다.

도보, 자전거로 오신 분들도 있겠지만

아마 대부분은 자동차로 오셨을 겁니다.

자동차를 마찰 공학의 관점으로
살펴보죠.

운전자와 자동차 사이,

자동차와 도로의 사이,

모든 자동차 부품들 사이에는
상호 작용이 존재합니다.

우리가 흔히 하는 타이어 정비도
마찰 공학과 직접적인 연관이 있습니다.

권고 사항에 따라
일정 거리를 주행한 이후에는

타이어를 교체해야 합니다.

타이어의 접지면은
주기적으로 관찰해야 합니다.

타이어가 닳아지지 않았는지는
항시 점검해야 합니다.

마찰 공학은 말씀드렸듯
마모와 마찰을 연구하는 학문인데요

타이어의 불량한 마찰은 곧

차사고로 이어집니다.

타이어와 도로 사이의 마찰 정도는

가속과 감속,

정지 거리를 결정합니다.

운전을 하시는 분들은 마찰이 얼마나
중요한지를 체감하실 텐데요,

아시다시피 도로가 젖어있으면

더 미끄럽고, 따라서 더 위험합니다.

물기가 타이어와 도로 간의

마찰을 줄이기 때문입니다.

말씀드렸듯, 마찰은 움직임을
막아서는 힘입니다.

물기가 마찰력을 줄이면
움직임에 가해지는 저항이 줄기 때문에

젖은 도로에서 차가
더 쉽게 미끌어지는 것입니다.

자동차의 마찰 공학은
여기서 끝이 아닙니다.

마찰에 저항하는 과정에서는
에너지가 소비됩니다.

즉, 마찰은 에너지 손실을 가져옵니다.

이 때문에 타이어의 상태는
연료 효율에도 영향을 미칩니다.

혹시 내연기관 차량에 넣는 연료의

1/3이 마찰에 저항하는 데
쓰인다는 것 알고 계셨나요?

1/3 씩이나요.

마찰 공학 분야의 연구들은
마찰을 줄임으로써

연료 효율은 높이고 배기량은 줄이는
공헌을 해왔습니다.

Holmberg와 Erdemir의 연구는

마찰 공학의 발전이

에너지 절약에 미칠 수 있는
영향력을 밝혀주었습니다.

해당 연구에 따르면 지난 20년간

인류는 승용차의 에너지 사용량을

최대 60% 까지
절약할 수 있었다고 합니다.

세상에 자동차가 얼마나
많은지를 고려하면

굉장한 양의 에너지죠.

또한 마찰 공학을 통해 전세계의
에너지 사용을 약 9% 절약할 수 있으며

승용차의 에너지 사용은
그중 일부에 불과합니다.

엄청난 양의 에너지죠.

수치를 통해 보셨듯, 마찰 공학은
대단한 일들을 해낼 수 있습니다.

저희 팀은 절약 가능한 에너지를

미국에서만 20쿼드 발견했습니다.

그것이 얼마나 엄청난 양인가 하면

1쿼드는 석유 약 1억 8천만 배럴이
내는 에너지이고,

마찰 공학을 통해 절약할 수
있는 에너지는 그 20배입니다.

새로운 소재, 새로운 윤활제,

새로운 기기설계,

더 효율적이고 안정적인 풍력발전기를
통해 이룰 수 있는 일들입니다.

이 모든 발상이 단칸 실험실에서
겨우 31명의 과학자가

마찰 과학의 시각으로
세상을 관찰하며 시작되었습니다.

더 많은 사람들이 우리 주변의 마찰에
관심을 기울이기 시작하면

얼마나 더 큰 가능성이
우리 앞에 나타날까요?

요즘 저는 항공우주 분야에서 활용 가능한
프로젝트에 큰 흥미를 느낍니다.

공중에서의 마찰과 마모를 줄이는 작업은
난이도가 높은 만큼 큰 성취감을 줍니다.

새로운 재료와 부품들을 만들면

움직이는 부품과 엔진에 가해지는
마찰을 줄이고

작동에 방해가 되는 힘을
줄일 수 있습니다.

부품 작동에 필요한 힘이 줄면
에너지 또한 덜 필요하게 되고

따라서 보다 작은 작동기로도
기체를 지탱할 수 있게되면

기체의 무게는 줄어들고

연료 소비는 절감됩니다.

또 마모에 강하고
오래가는 부품들을 개발하면

원자재를 절약할 수 있을 뿐만 아니라

부품의 교체 빈도와 수요를 낮춰

제조 과정에 들어가는 에너지 또한
절약할 수 있습니다.

여러분도 오늘부터 생활 속의 마찰을
관찰하며 주변에 있는

'접촉면간의 상호작용'을 개선할 수
있는 방안을 탐구해가시기 바랍니다.

그 어떤 작은 변화도

큰 보탬이 될 수 있습니다.

Tribology라는 어감이
좀 이상하게 들릴지 몰라도

마찰 공학은 우리 세상을
변화시키는 큰 힘입니다.

고맙습니다.

(박수)