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변기에 물을 슬슬 부우면 왜 물이 넘치지 않을까?

일상속 호기심/과학

by 스마트 1분 2020. 2. 26. 15:00

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'변기에 물을 슬슬 부우면 왜 물이 그대로 있을까' 제보를 주신 ksc17xxx님의 의문. 생각해보면 변기에 물을 슬슬 부울때 물이 일정 수위이상 차오르지 않는 것을 알 수 있습니다. 그러다가 물을 한꺼번에 확 부우면 갑자기 물이 변기속으로 빠르게 내려가는 것을 볼 수 있죠. 왜 변기에 슬슬 부운 물은 물의 수위에 큰 영향을 미치지 않으며 확 부운 물은 변기물을 내려가게 만드는 것일까요?

<dreamstime>

▶이를 이해하기 위해서는 먼저 수세식 변기가 어떻게 설계되어있는지를 알 필요가 있습니다. 1세대 수세식 변기는 1596년 영국에서 발명이 되었다고 알려져 있죠. 당시 수세식 변기는 물을 흘려 배설물을 분뇨통으로 보내는 아주 단순한 역할만 했었습니다. 그러나 이런 방식은 문제가 많았는데 그 중 하나가 바로 '냄새'이죠. 분뇨통에서 올라오는 냄새때문에 화장실은 냄새로 가득차 사용하기가 힘들 정도였으니 이 문제를 해결해야만 했었습니다.

 

 

 

<최초의 수세식 변기>

이에 대한 해결책이 나온것은 그 후 거의 200년이 지난 1775년경 이었죠. 당시 영국의 한 수학자가 이 문제를 해결하기 위해 물이 흘러내려가는 배수파이프를 U자형으로 만들었는데 이것이 바로 냄새 문제를 해결한 것입니다. 이 원리는 매우 단순한데 파이프를 U자형으로 만들어 변기의 물중 일부가 변기에 남아있게 만든 것이고 바로 이 물이 밑에서 올라오는 냄새를 차단시켜 준 것이죠. 그리고 이것이 바로 오늘의 주제에 대한 답과 연관이 있습니다. 

 

▶우리가 일을 보고 물을 내리면 U자형 모양으로 생긴 배수관때문에 변기물은 위로 한 번 올라갔다가 다시 내려가게 됩니다. 그런데 이 물이 U자 모양의 변곡점 부분을 지나게 되면 조금씩 흘러내려가게 되는 현상을 볼 수 있는데 그 이유가 바로 사이펀의 원리때문이죠. 

 

'사이펀(siphon)‘은 '빨아들이는 관'이라는 뜻으로 높은 곳에 있는 액체를 기압차와 중력을 이용해 낮은 곳으로 옮길 수 있도록 된 관을 말합니다. 그리고 중력과 기압차때문에 액체가 이 관을 통해 이동을 하는 현상을 사이펀 원리라고 합니다. 

 

<사이펀의 원리, gfycat>

 

 

사이펀의 원리는 위의 그림의 물통에서 물이 흐르는 모습을 보면 더 쉽게 이해할 수 있습니다. 물A에 들어있는 물은 수면위의 공기압력에 더해 물의 무게가 작용하기 때문에 물속의 관의 입구의 압력보다 높은 상태가 됩니다. 압력의 차이가 생겼기 때문에 물은 사이펀 호스관을 따라 위로 흐르게 되는데 이렇게 흐른 물이 관의 가장 상단부에 도착하게 되면 결국 출구를 통해 물통B 흘러 들어가게되는 것이죠. 이런 사이펀의 원리는 변기에도 동일하게 적용이 됩니다. 

<사이펀의 원리>

위의 그림과 같이 변기에 물이 고여있을 때 사이펀 관에 미치는 대기압과 변기내 물에 미치는 대기압은 같게 됩니다. 기압이 같으니 물의 흐름이 없게 되죠. 하지만 물을 조금씩 졸졸 흘려주면 변기내 물의 기압에 변화가 생기게 되고 사이펀내와 기압차가 발생하게 되는데 이 때문에 물이 배수관을 따라 내려가기 시작합니다.

 

이렇게 배수관을 따라 내려가는 물은 변기밑 U자로 굽은 부분에 도달하게 되는데 U 자 형태 배수관의 꼭대기 부분까지 차면 물이 아래로 꺾인 부분으로 조금씩 흘러 내려가죠. 즉, 흘러들어간 만큼 배수관을 통해 나가기 때문에 물의 수위에는 큰 변화가 생기지 않는 것입니다. 

<gif sf>

 

 

의문은 풀렸지만 연관되서 한가지 더 의문이 생깁니다. 왜 물을 한꺼번에 부으면 변기 속의 물이 완전히 내려갈까라는 것이 바로 그 의문이죠. 이것은 사이펀의 원리와 물의 표면장력으로 설명이 가능합니다. 많은 양의 물을 붓게되면 변기물에 강한 압력으로 작용하는데 이는 변기물이 강하게 배수관을 지나가도록 합니다.

그리고 배수관에 굽은 부분에 도달한 물은 물분자들이 서로 잡아당겨 표면을 최소화하려는 힘인 표면장력에 의해 아래로 내려가는 물이 뒤에 있는 물을 잡아당기는 현상이 일어나게 되죠. 즉, 변기에 부은 물이 강한 압력을 주어 변기에 있던 물을 내려가게 만드는데 여기에 물분자들도 표면장력으로 서로 끌어주니 결국 변기에 있는 물을 모두 빨아들여 내려가게 만드는 것입니다. 

 

※ 참고자료·논문자료·자문 등 도움

 

1) 물에 숨어 있는 신비한 힘, '물 분자'

2) 수세식 화장실은 언제 발명됐을까?

3) How a siphon works

4) The Flush in a Toilet Bowl

 

 

 

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