높이 324m 에펠탑 세운 비결… 인체의 뼈 단면 본떴다

 “에펠탑이 인체를 모방한 기술이라는데, 왜 그런가요?” 얼마 전, 어느 대학생에게서 받은 질문이다. 지금은 에펠탑이 없는 파리를 생각할 수 없지만, 에펠탑이 처음 등장할 때는 달랐다. 사람들은 앙상한 뼈대가 그대로 드러난 듯한 에펠탑의 모습에 경악했다. 에펠탑이 인체의 골격을 모방했기 때문이다. 그리고 그 시작은 공대 교수가 우연히 방문한 의대 해부학 교실에서였다. 이처럼 생명체에 영감을 얻어 형태와 구조를 모방하는 것을 생체모방(Biomimetics) 또는 자연모사기술(Nature Inspired Technology)이라고 부른다. 이는 과학의 한계를 극복하기 위한 중요한 돌파구였다.

그래픽=김현국

1849년 28세의 철도 엔지니어 카를 쿨만(Carl Culmann)은 회사를 휴직하고 미국과 영국을 여행하며 다양한 토목 구조물을 접하게 된다. 특히 새로운 교통수단으로 증기기관차가 등장하자 수요가 급증하던 교량에 주목했다. 당시 철도 교량에 널리 쓰이던 ‘트러스(truss)’는 철제 막대기들을 X 혹은 삼각형 모양으로 조합했는데, 어떤 조합이 하중을 제대로 지지할지 쉽지 않았다. 쿨만은 여행에서 본 수많은 트러스를 체계적으로 분석해 효과적인 설계법을 개발한다. 이 업적으로 1855년 스위스 취리히 연방 공과대학이 개교하며 그를 교수로 초빙했다. 이후 26년간 쿨만이 종신으로 근무한 이 대학은 흔히 ETH(Eidgenössische Technische Hochschule)로 불리며 나중에 아인슈타인과 뢴트겐 등 노벨상 수상자 30여 명을 배출하게 된다.

더욱 획기적인 트러스 구조에 목말라 하던 쿨만은 1866년 저명한 해부학자였던 동료 의대 교수 마이어(Georg Hermann von Meyer)의 연구실에서 실마리를 발견한다. 마이어가 절단한 인체의 뼈 단면에서 특이한 점을 본 것이다. 뼈 구조는 대개 외곽이 치밀하고, 중심이 성글다. 그 이유를 곰곰이 생각하던 그는 인체에서 가장 강한 힘을 받는 넓적다리를 분석했다. 놀랍게도 밀고 당기는 힘이 반복되며 가해지는 하중들은 연약한 뼈의 중심부를 피해 단단한 외곽부로 분산되고 있었다. 해면골(海綿骨)이라 불리는 중심부의 엉성해 보이는 조직이 이 분산을 담당한 것이다. 이렇게 외부와 내부로 강약이 구분되면, 뼈 전체가 튼튼할 필요가 없어 무게도 줄이고 하중도 잘 버틸 수 있다.

쿨만은 이러한 메커니즘을 철제 트러스에 도입한다. 힘을 크게 받는 부위는 외부로 돌려 굵게 만들고, 그 사이를 잇는 내부는 가늘게 만들어 힘을 분산하는 역할을 맡게 했다. 여기에 감명을 받은 제자 쾨클랭(Maurice Koechlin)은 쿨만의 가르침을 인류사에 길이 남을 건축물에 적용하게 된다. 에펠의 회사에 입사한 쾨클랭의 첫 도전은 미국 독립 100주년을 기념해 뉴욕 항구에 들어서게 될 자유의 여신상이었다. 높이 46m의 거대한 동상(銅像)을 내부까지 구리로 채울 수는 없다. 예를 들면, 자유의 여신상이 왼손에 든 미국독립선언서만 해도 길이 7.2m, 너비 4.1m, 두께 0.6m였다. 세제곱미터당 9t 정도인 구리의 비중을 생각하면 독립선언서 무게만 무려 159t이니, 자유의 여신상 전체는 감당하기 힘들 정도로 무거워질 것이다

이런 이유로 청동 주조상은 대개 내부를 비워 주조한다. 하지만 자유의 여신상은 훨씬 과감한 방식이 필요했다. 불과 2.4㎜ 두께의 구리판을 망치로 다듬어가며 외곽을 만들어 전체 구리 무게를 31t으로 줄였다. 문제는 내부였다. 거대한 구조물이 강한 바닷바람에 견딜 수 있도록 튼튼한 내부 뼈대가 필요했다. 쾨클랭은 여기에 쿨만의 아이디어를 적용한다. 마치 인체와 같이, 얇은 구리로 만들어진 피부 내부에 철재로 만든 125t 무게의 강력한 골격이 결합했다. 구리 피부와 철제 골격의 합은 불과 156t으로, 구리로 가득 채울 경우의 독립선언서보다 가벼웠다. 상식을 뛰어넘는 혁신이었다. 이렇게 1886년 자유의 여신상이 성공하자, 확신에 찬 에펠은 쿨만과 쾨클랭의 아이디어를 자신의 야심작 에펠탑으로 확장하게 된다.

1889년 프랑스 혁명 100주년 기념으로 추진된 에펠탑은 한 변의 길이가 125m인 정사각형 위에 높이 324m로 세워진 거대한 건축이다. 여기에 쾨클랭의 설계로 사용된 철재의 전체 무게는 7700t. 이는 한 변의 길이가 10m인 정육면체를 채운 철(철의 비중은 세제곱미터당 7.8t)의 무게인 7800t보다 가볍다. 이는 거대한 에펠탑을 녹이면 이 정육면체에 모두 들어가고도 남는다는 것이다. 심지어 에펠탑이 들어갈 수 있는 커다란 원통을 생각하면, 그 공간이 차지하는 ‘공기’의 무게는 9540t으로 에펠탑보다 무겁다. 이처럼 에펠탑이 큰 규모에 비해 무게를 대폭 줄일 수 있었던 것은 인체의 뼈 구조를 참고했기 때문이다. 더구나 이런 대형 구조물은 바람의 영향을 크게 받지만, 구리 피부를 가진 자유의 여신상과 달리 구멍이 숭숭 뚫린 에펠탑은 훨씬 안전했다.

하지만 예술의 도시 파리 도심에 솟아오른 거대한 구조물에 수많은 예술가가 들고일어났다. 마치 뼈가 그대로 노출된 듯한 에펠탑의 모습에 흉측한 건축물이라며 비난했다. 이런 이유에서인지 에펠탑과 같은 구조물을 ‘철로 만든 뼈대’라는 뜻으로 ‘철골(鐵骨)’이라 부르게 되었을 것이다. 빗발치는 비난에 에펠은 보란듯이 에펠탑의 4면에 라부아지에를 비롯한 프랑스를 대표하는 72명의 과학자를 금빛으로 새겼다. 시대를 앞서갔던 이 철골 구조물은 세월이 지나며 서서히 진가를 인정받았고, 이제는 파리에서 가장 예술적인 랜드마크가 되었다. 이처럼 인류 건축 역사상 가장 위대한 작품은 인간과 자연에 대한 깊은 통찰에서 시작되었다.

조선일보

하버드생이 알려주는 대학 입학 방법

안녕하세요! 니모입니다. 오늘은 지난 번 저의 딸들 아이비리그 합격 이야기에 이어서 저 딸 나딘이 직접 알려주는 하버드 입학 방법에 대한 콘텐츠를 만들어 보았습니다. 지난 콘텐츠를 보셔서 알겠지만 저는 거의 한 것이 없고, 나딘이 혼자 다 한것이라서 이번 콘텐츠가 하버드 입학뿐 아니라 미국 유학을 생각하시는 모든 부모님이나 학생들에게 더 큰 도움이 될 수 있겠네요. 나딘은 하버드로 최종 입학을 결정했지만, 하버드, 예일, 프린스턴(HYP)를 모두 합격했기때문에 본인 나름대로 대학 입시 과정의 좋은 팁이 있는데 이번에 아낌 없이 다 알려 드린다고 하네요🙏🏻💕 (음… 쓰다보니 딸 자랑하는 고슴도치맘이 되어버렸네요.) 전 나딘이 촬영할 때 앞에 서 있어준 것 밖에 한 것이 없지만, 재미있게 봐주시고, 나딘도 예쁘게 봐주시기를 바랍니다.

하버드대 졸업식에서 한국 유학생 발언에 미국인들 숙연해진 이유, 한국인들은 다르다

2018년 하버드대 졸업식에서 한국 유학생의 대표 연설에 미국인들이 숙연해졌습니다.

잘 놀아야 공부도 잘한다… “얘들아, 나가서 신나게 놀까?”

 아이들 신체활동, 어떻게 늘릴까

건강은 물론 학습에도 중요한 운동… 움직이지 않으면 뇌 발달에 악영향
어른이 먼저 운동해 본보기 보이고, 선물이나 재미 등 제시해 동기부여
맨손 운동으로 신체 중심 강화해야… 유튜브 동영상 보며 따라하면 좋아

지난달 18일 경기 하남시 하남종합운동장에서 성기백 서울 동구로초 교사가 유치원·초등생을 위한 신체활동으로 런지와 스쾃 시범을 보이고 있다(왼쪽 사진부터). 안철민 기자 acm08@donga.com

신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)으로 야외활동이 줄어들면서 유치원과 초등학교 학생들의 신체활동량이 크게 줄었다. 자연스럽게 과체중 학생도 증가했다. 지난달 서울시교육청의 발표에 따르면 서울 초중고교 학생 중 과체중 이상 학생의 비율은 2019년 26.7%에서 지난해 32.3%로 늘어났다.

요즘은 추운 날씨까지 겹치면서 학부모들의 고민도 쌓이고 있다. 아이들의 신체활동을 늘릴 수 있는 방법에 대해 13년 차 체육교사인 성기백 서울 동구로초 교사의 조언을 질의응답 방식으로 풀어봤다.

―유아와 어린이에게 신체활동은 왜 중요한가.

“아이들은 신체활동을 할수록 뇌가 발달하기 때문이다. 반대로 아이들이 움직이지 않고 소파에 앉아 있거나 침대에 누워 있으면 뇌가 발달할 기회가 줄어든다. 신경과학자 대니얼 울퍼트는 ‘뇌가 존재하는 진짜 이유는 움직이기 위해서’라고 말한다. 생각하고 인지하고 기억하는 두뇌의 기능이 움직임에 아무 영향을 미치지 않는다면 뇌는 퇴화한다는 것이다. 많이 움직일수록 뇌도 발달하기에 학습적인 면에서도 신체활동은 중요하다.”

―아이들이 움직이게 하려면 무엇을 권하는 게 좋을까.

“건강해지기 위해 운동해야 한다는 건 ‘어른의 관점’이다. 하루 종일 게임을 해도 ‘몸이 아프다’고 생각하는 아이들은 많지 않다. 고학년 친구들이라면 이 관점을 바꿔 ‘몸이 아니라 머리를 위해’ 운동을 권할 것을 추천한다. 6학년 담임을 맡고 있는데, 아이들에게 운동을 해야 하는 이유에 대해 ‘뇌를 발달시키려면 운동을 해야 한다’고 이야기한다.

부모가 아이들에게 본보기를 보이는 것도 효과적이다. 엄마나 아빠는 집에서 TV만 보면서 아이들에게는 운동하라고 얘기하면 잔소리에 불과하다. 아이들과 함께 신체활동을 할 것을 추천한다.”

―겨울방학 동안 신체활동을 하도록 동기 부여를 할 수 있는 ‘팁’이 있다면….

“아이들이 게임을 좋아하는 이유 중 하나는 과제가 있고 그 과제를 해결하면 보상이 주어진다는 것이다. 내적 동기를 이끌어 내는 게 가장 좋지만 쉽지 않기 때문에 처음에는 보상을 해주는 것이 좋다.

나도 초등학생 자녀 셋과 주말이면 꼭 30분씩 밖에서 뛰어논다. 추운 겨울 날 아이들에게 아무 이유 없이 ‘아빠랑 밖에 나가자’라고 하면 안 나온다. ‘아빠랑 같이 놀자, 아빠가 주는 과제를 통과하면 맛있는 거나 선물을 사줄게’라면서 아이들에게 신체활동을 했을 때 주어지는 보상을 제시한다. 아빠와 바깥에 나가면 재밌는 일이 생길 거라는 기대감을 심어 주는 것이다. 그렇게 밖으로 나가면 몸을 움직이면서 할 수 있는 게임을 하면서 과제를 준다. 근처 공터에서 술래잡기를 한다면 ‘아빠가 지금부터 뛰어서 도망칠 건데, 아빠를 세 번 잡으면 맛있는 걸 사 줄 거야’라는 식으로 목표를 제시한다. 이런 식으로 하면 30분은 쉽게 야외활동을 할 수 있다.”

―코로나19로 바깥활동에도 제약이 많다. 집에서는 어떤 운동을 하면 좋을까.

“이른바 ‘코어’를 잡을 수 있는 맨손운동이 좋다. 코어가 잡혀야 아이들이 바른 자세를 유지하는 데에도 도움이 되기 때문이다. 스쾃과 런지, 팔 벌려 제자리 뛰기인 점핑 잭, 개구리 점프를 추천한다. 성인들이 ‘홈트’를 할 때 많이 하는 동작들인데 어린이들에게도 무리가 없다. 다만 세트당 개수는 성인보다 적게 하는 게 좋다. 성인들은 세트당 20, 30개씩 하는데 아이들은 세트당 10개로 시작하길 권한다.”

―동작들을 할 때 주의해야 할 점이 있다면….

“스쾃을 할 때는 발을 어깨 넓이로 벌리고 앉았다가 일어나야 한다. 허리를 곧게 펴고 상체를 꼿꼿이 세운 후 의자에 앉는 듯한 느낌으로 해야 한다. 무릎이 발 앞쪽 끝을 넘지 않도록 주의를 기울여야 한다. 런지는 앞으로 해도, 뒤로 해도 되지만 무릎이 땅에 닿을 듯 말 듯하며 허벅지 윗부분이 당겨야 한다. 양손을 앞으로 모으는 건 균형을 잡기 위해서다. 점핑 잭은 양팔을 앞으로 교차시키며 뛰면 전신운동 효과가 증가한다. 개구리 점프는 손끝이 바닥에 닿도록 해야 한다.”

―참고할 만한 동영상이나 사이트가 있을까.

유튜브 ‘피지컬 클래스’(위 사진), ‘리틀 스포츠’에서는 어린이를 위한 운동 영상을 볼 수 있다. 유튜브

“유튜브에 ‘리틀 스포츠(Little Sports)’라는 계정이 있다. 구독자가 70만 명이 넘는 어린이 체육 채널이다. 집에서 할 수 있는 9분 운동, 어린이를 위한 8가지 코어운동 등 운동 부위와 장소 등에 따라 다양한 운동 루틴 영상을 제공한다. 한국에서는 ‘피지컬 클래스(피클)’ 유튜브 계정에서 ‘오늘 하루도 운동’이라는 시리즈로 어린이들이 따라 할 수 있는 운동 영상을 올리고 있다.

동아일보