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화장실은 과학의 집대성

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변기


변기 물탱크는 사이펀관


볼일을 보고 산물을 미련 없이 버리는 물탱크는 어떤 원리로 작동하는 것일까. 화장실 물탱크는 대개 사이펀관에 의해 작동됩니다. 언뜻 생각하기에는 불가능할 것 같지만 사이펀관은 압력 차를 이용하여 물을 위쪽으로 흐르게 합니다. 

사이펀관이 물 표면보다 아래에 있으면 수면에 작용하는 대기압으로 인해 액체가 관 안으로 밀려 올라갑니다. 물은 관을 따라 올라가 굽은 곳을 돌아서 다른 쪽 끝으로 떨어집니다. 일단 물이 사이펀관을 돌아서 다른 쪽 관으로 떨어지기 시작하면 공기의 압력 때문에 남아있는 물이 관을 따라 계속 흐릅니다.



냄새를 막아주는 트랩장치


트랩은 기구와 배수관을 연결하거나 배수계통 중 필요한 곳에 물을 고이게 해 공기를 차단하는 장치입니다. 변기, 세면기, 욕조의 바닥에 S형, P형, U형 등의 트랩 장치를 설치해 악취, 유독가스, 벌레 등의 유입을 막습니다. 

요즘은 욕실 내에 변기를 설치하므로 환기에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 자연환기를 위해서는 창문을 외부에 설치하는 것이 필수적이나 주택구조상 불가능한 경우는 천장 속에 공기 유통관을 설치하고 환기기구를 천장 또는 벽에 만듭니다. 이런 환기팬을 설치할 경우 가급적 공기가 들어오는 곳에서 떨어진 부분에 설치해야 함은 물론입니다. 


>용어설명<

사이펀[siphon]
높은 곳에 있는 액체를 용기를 기울이지 않고 낮은 곳으로 옮기는 연통관(連通管). 공기나 물체에 닿는 것을 기피하는 약액(藥液) 등을 옮기는 데 편리하며, 약액 등의 위에 뜬 맑은 액체만을 구분하여 옮길 수도 있다. 원리는 높은 쪽의 액면(液面)에 작용하는 대기압(大氣壓)으로 인해 액체가 관 안으로 밀어 올려지는 것을 이용한 것이다. 낮은 쪽의 액면에도 대기압이 작용하고 있으나, 액체를 밀어올리는 힘은 액면 높이 차 h2-h1과 같은 높이를 가지는 액주(液柱)의 압력만큼 약하다. 







치약




불소란 무엇인가?



<불소의 구조 (고체상태)>
20세기 전반에 과학자들은 물 속에 불소 이온이 천연적으로 함유된 곳에 살고 있는 사람들에 관한 흥미 있는 일에 주목하기 시작했습니다. 이 사람들은 불소 이온 농도가 낮은 지역에 사는 사람들에 비해 충치가 거의 생기지 않았습니다.

불소는 에나멜로 된 치아의 표면이 썩지 않도록 저항력을 키워줍니다. 치아의 에나멜은 우리 몸을 이루는 물질 중 가장 단단한 물질인 수산화인회석(Ca10(PO4)6(OH)2) 으로 구성되어 있습니다. 그러나 입안에 있는 박테리아가 음식물과 반응하여 산을 만드는데 이 산이 치아의 에나멜을 공격합니다. 


즉, 산이 수산화인회석과 반응하여 에나멜을 녹이고, 구멍을 내는 것입니다. 불소 이온은 Ca10(PO4)6(OH)2를 산의 공격에 훨씬 더 강한 Ca10(PO4)6F2로 전환시킴으로써 충치를 예방할 수 있는 것입니다.



충치 예방과 불소



<치아의 단면 구조>


현재 세계 각국에서 많은 나라들이 수돗물에 불소 처리를 하고 있습니다. 40애국에 걸쳐 2억 3천만 이상의 사람들이 불소 처리된 물을 마시고 있다고 추정됩니다. 불소 처리는 물의 냄새나 맛 혹은 물의 색깔에 거의 영향을 주지 않아 대부분의 사람들은 자신들이 불소 처리된 물을 마시고 있는지조차 알지 못합니다. 또한 대부분의 치약에도 충치 예방을 위하여 불소를 사용합니다.

[불소를 이용하여 충치를 예방하는 방법]
①상수도수 불소화사업 
②불소용액 양치법 
③불소도포법 
④불소정제복용법 
⑤식염 및 우유 불화법 등 



>용어설명<

불소[플루오르fluorine]
16세기경부터 그 존재가 추정되었으나 발견된 것은 비교적 늦었으며, 1886년에 H.무아상이 융해(融解) 플루오르화수소칼륨의 전기분해에 의해서 처음으로 홑원소물질로 분리하였다. 플루오르는 반응성이 뚜렷하여 보통의 반응용기를 침식하기 때문에, 플루오르화학은 그 후 별다른 발전을 보지 못하였다. 제2차 세계대전 중에 미국에서 원자폭탄을 제조하기 위한 우라늄의 동위원소 분리를 목적으로 플루오르화우라늄을 대량으로 다루게 되자 플루오르화학이 급격히 발전하였다. 또, 폴리에틸렌 ·플루오르수지 등 각종 합성수지가 개발되어 플루오르를 다루기도 쉬워졌다. 








면도기




다림질과 가소화


바싹 마른 면직물을 그대로 다리면 주름이 펴지지 않습니다． 면을 다리미질하기 전에는 꼭 물로 어느 정도 적셔야 합니다． 

면은 셀룰로오스 분자의 집합체인데 셀룰로오스 분자는 매우 강직해 섭씨 ２백２５도 이상에서나 조금 움직이기 시작합니다． 


그러나 물을 적셔주면 작은 물분자가 셀룰로오스 분자 사이를 파고 들어가 강직한 셀룰로오스 사슬을 부드럽게 만듭니다． 따라서 빳빳하던 면직물은 물로 적시면 맥없이 부드러워집니다． 

화학에서는 이 현상을 가소화라 부릅니다． 따라서 면직물은 물로 가소화시키면 부드럽게 된다는 설명입니다． 즉 물은 셀룰로오스의 가소제입니다． 

이렇게 부드럽게 된 면직물에 뜨거운 다리미를 누르면서 움직이면 주름 부분에 있던 셀룰로오스 분자들이 다리미가 누르는 대로 움직이면서 다시 자리를 잡아 정돈합니다． 그동안 물은 증발하며 면직물의 주름이 사라지고 다시 빳빳해집니다． 

모직물 다리미질은 면직물보다 조금 더 힘이 듭니다． 모직물은 단백질 섬유로 되어 있고 물로 가소화가 잘 되지 않습니다． 단백질 사슬을 잇고 있는 다리결합을 끊어야 합니다． 이 때문에 모직물은 더 무거운 다리미로 오랫동안 눌러주어야 합니다． 


면도할 때 비누거품을 바르는 이유



그러면 면도 전에는 왜 비누거품을 얼굴에 잔뜩 발라야 할까요． 비누가 미끄러우니까 면도날이 잘 움직이라고 그렇게 하는 것일까요． 이는 부분적인 답에 불과합니다． 

수염은 머리카락과 똑같이 피지가 보호막을 이루고 있는 케라틴이라는 단백질로 되어 있습니다． 수염에 비누를 바르지 않은 채 면도를 하면 수염이 빳빳해 아픔을 느끼게 된다. 그러나 뜨거운 물수건으로 턱 부분을 잠깐 덮었다가 면도를 하면 아픔이 훨씬 줄어듭니다． 뜨거운 물이 수염을 가소화 하여 부드럽게 만들기 때문입니다． 


그러나 물을 싫어하는 피지 성분이 수염의 보호막을 이루고 있기 때문에 차가울 때는 물분자가 이 보호막을 뚫고 수염의 케라틴 분자에 접근하기 힘듭니다. 따라서 차가운 물은 별로 효과가 없습니다. 이 피지 보호막을 파괴하여 없애면 물이 훨씬 쉽게 케라틴 단백질 사슬에 접근해 가소화할 수 있게 됩니다． 이 역할을 바로 비누거품이 담당합니다． 따라서 비누거품은 피지 제거제와 가소제를 동시에 공급해 뜨거운 물을 사용하지 않더라고 아침마다 겪는 면도의 고통을 덜어주 는 것입니다． 



>용어설명<

가소제[可塑化, plasticization] 
가소화에는 유리전이 온도가 낮은 고분자 단위체와의 혼성중합(混成重合)에 의한 내부가소화(분자내 가소화)와 가소제 등을 첨가하는 외부가소화의 방법이 있다. 전자는 혼성중합에 의하여, 후자에서는 가소제를 첨가함으로써 고분자 사슬 사이의 거리를 넓혀서 마이크로-브라운운동을 일으키기 쉽게 하여 유리전이 온도를 낮추고 유연성을 부여한다. 







샴푸




산성성분이 머리카락 조직 정돈, 
일정하게 빛 반사 


머리카락은 색소를 지니고 있는 중심부를 얇은 반투명 비늘 모양의 각피가 둘러싸고 있습니다． 머리피부 가까이 있는 피지선이 지방질 물질을 분비하여 새로 나오는 머리카락이 반들거리게 일종의 윤활유를 발라줍니다．이 윤활유는 비늘 모양의 각피가 머리카락 중심부에 붙어 있게 하여 머리카락의 윤기를 유지하고 건조해지는 것을 막습니다． 피지의 분비가 지나치면 모발에 기름을 흠뻑 바른 것 같아 칙칙해 보입니다． 반면에 너무 적으면 건조해져 윤기가 없고 부스스해 보입니다.



샴푸의 작용







샴푸 속에 들어 있는 세제는 머리카락과 두피에 있는 먼지를 모두 제거합니다． 하지만 머리카락에 있는 지방질을 알맞게 없애는 것이 좋은 샴푸의 비밀입니다． 여러 세제 중 라우릴 황산나트륨과 이와 비슷한 세제들이 바로 이 까다로운 임무를 잘 해결해줍니다． 지나치게 없어진 윤활유를 보충해주기 위해 첨가물을 넣어주기도 합니다． 그렇다면 위에서 말한 세제와 약간의 윤활유를 물과 섞어주면 샴푸가 될까요． 원리적으로는 가능합니다． 

그러나 너무 끈끈하면 사용하기 불편하고 그렇다고 물처럼 쉽게 흘러도 나쁘니 점성도를 알맞게 조절하고 거품도 잘 나게 해야 합니다． 또 보기 좋게 물감도 섞어야 합니다． 더구나 어떤 향을 넣는가가 상품의 인기를 좌우하기 때문에 어느 향을 섞을지 신경을 쓰게 됩니다． 센물에서도 쓸 수 있게 화학 첨가제도 넣습니다． 

그러나 머리털의 윤기와 탄력성을 유지하기 위해서는 샴푸의 산성도（ＰＨ） 조절이 매우 중요합니다． 머리카락 섬유의 강도는 약간 산성일 때 가장 크며 산성도가 ４∼６일 때 가장 좋습니다． 더구나 샴푸가 산성일 때는 각피가 머리카락 중심부에 정돈된 모습으로 들러붙어 빛을 일정하게 반사하므로 샴푸로 감은 머리털은 윤기가 납니다． 샴푸가 염기성일 때는 머리털 각피가 팽창해 부스스하게 되어 빛이 사방으로 반사됩니다． 따라서 머리털의 윤기는 사라지고 산뜻하게 보이지도 않습니다． 

현재 우리나라에서 시판되고 있는 샴푸는 대부분 ＰＨ가 ５.５∼６이며 수돗물은 ＰＨ가 ６정도이므로 샴푸로 감은 우리들의 머리털이 대체로 윤기가 나는 것은 당연한 일입니다． 그러나 염기성인 빨래비누로 머리를 감는 것은 머리카락의 윤기를 죽일 뿐 아니라 두피에도 이롭지 않습니다．


>용어설명<

피지선[ 皮脂腺, sebaceous gland ] 
지선(脂腺)이라고도 한다. 모낭(毛囊)과 피부의 표면이 둔각(鈍角)을 이루는 측에 있는 짧은 배설관으로 모낭 위에서 3분의 1 부위에 개구(開口)한다. 여기에서 만들어진 피지의 일부는 그 모낭 내에 있는 털을 통하여 올라와서 털의 둘레를 싸고, 일부는 모낭벽을 따라서 피부 표면에 퍼지며 피부를 촉촉하게 하는 동시에 보호한다. 그 밖에 모낭과 관계없이 존재하는 지선은 독립지선이라고 불리며 입술 ·유훈(乳暈) ·귀두(龜頭) ·포피내판(包皮內板) ·소음순(小陰脣) ·음핵(陰核) 등에 있다. 







욕조




유레카! 욕탕에서의 위대한 발견



<아르키메데스>
그리스의 수학자 아르키메데스는 2200년 전 어느 날 목욕을 하다가 부력의 원리를 발견했습니다. 이것이 바로 수천 톤이나 되는 강철 배가 물 위에 뜨는 원리입니다. 그는 욕탕에 몸을 담그면서 자기 몸 때문에 넘쳐나는 물을 보고 순간적으로 자기 체중과 넘친 물의 양 사이에 어떤 관계가 있다는 것을 깨달았습니다. 아르키메데스는 더 실험을 해서 부력의 원리를 공식으로 만들었습니다. 

유체 속에 담긴 물체는 대체된 유체의 무게와 같은 크기의 부력을 받습니다. 물 속에서 무거운 돌을 들어본 사람은 돌의 무게가 줄어드는 효과인 부력을 깨달을 수 있습니다. 예를 들어, 강바닥의 둥근 돌을 물 속에서는 비교적 쉽게 들 수 있지만 물 밖에서는 훨씬 더 큰 힘이 필요하다. 물 속에서는 중력과는 반대방향인 위쪽으로 향하는 힘이 작용하기 때문입니다. 이러한 위 방향의 힘을 부력이라고 부르며 바로 깊이에 따라 증가하는 압력에 의한 힘입니다. 



배가 뜨는 원리



잠긴 물체에 작용하는 부력은 물체의 부피에 따라 변합니다. 작은 물체는 적은 양의 물로 대체되므로 부력 또한 작습니다. 큰 물체는 많은 양의 물로 대체되므로 부력이 커진다. 부력을 결정하는 요인은 무게가 아니라 부피며 그 크기는 대체된 물의 부피만큼의 유체 무게와 같습니다. 따라서 유체 속에 잠긴 물체의 밀도가 유체의 밀도보다 크면 가라앉고 작으면 떠오르게 되는 것입니다. 




배와 같은 물체의 경우도 넘쳐 내보낸 물의 무게(잠긴 부분의 부피에 해당하는 물의 무게)가 배 자체의 무게와 같을 때 뜬다는 것입니다. 

그러나 강철로 된 배가 뜰 수 있는 능력은 그 무게를 어떻게 분배하느냐 에도 달려 있습니다. 예를 들면, 강철 덩어리를 연못 수면에 놓으면 가라앉는다. 그러나 같은 무게의 강철도 사발처럼 만들면 뜹니다.


이것은 사발의 잠긴 부분에 해당하는 부피를 대부분 공기가 차지하므로 상대적으로 그만큼 부피의 물보다는 공기의 밀도가 작기 때문입니다. 마찬가지로 강철로 된 배도 사발처럼 그 안이 비어 있어 부피를 늘여 밀도를 작게 합니다. 그래서 무게가 물 위로 광범위하게 분산되어 강철을 잡아당기는 중력과 같은 크기의 부력이 생겨 배가 뜨게 되는 것입니다.


>용어설명<

아르키메데스(서기전 287? - 서기전 212) :고대 그리스의 수학자
지랫대의 이론, 부력의 원리, 구적법 등 수학과 물리학에 큰 업적을 남겨 유클리드, 아폴로니우스와 함께 고대의 3대 수학자로 꼽히는 그는, 시칠리아의 시리쿠시에서 태어났다. 그는 적분학의 전신인 '구적법'을 연구하여 포물선의 넓이와 부피를 구하는 것과, 공과 그 외접하는 원기둥과의 관계를 밝힘으로써, '원기둥의 부피는 그것에 내접하는 공의 부피의 1.5배이다' 라는 것을 알아냈다. 그는 수학상의 업적으로서 이 밖에도 외접과 내접과의 96각형에서 계산한 '아르키메데스의 원주율'이 있다. 오늘날에 원주율의 값을 3.14로 계산한 것은 바로 이 계산법에 의한 것이다.