날씨가 덥거나 환기를 시킬 때 창문을 종종 열어놓습니다. 그런데 창문이 열려있을 때 창문이 닫혀있을 때와 비슷한 힘으로 방문을 닫으면 창문이 닫혀있을 때보다 방문이 강하게 닫힙니다.
여기서 주제의 의문이 생깁니다. 창문이 열려있을 때는 왜 방문이 세게 닫히는 걸까요? 처음부터 창문의 개폐 여부가 원인이라는 사실을 눈치챈 사람은 별로 없을 겁니다. 반복적인 경험을 통해 눈치챘을 텐데, 그다지 중요한 내용이 아니라서 무심코 넘어갔을 겁니다.
하지만 이 현상으로 크게 낭패를 겪을 때가 있습니다. 바로 보호자 또는 가까운 지인과 다툼이 생긴 후 창문이 열려 있는 자신의 방에 들어가면서 방문을 닫을 때로 홧김에 평소보다 아주 살짝 문을 세게 닫았음에도 매우 세게 닫히는 상황입니다.
문이 ‘쾅!’ 닫히면 많은 생각이 듭니다. 이때 일부 사람을 방문을 살짝 열고, 바람이 불어서 그렇다며 변명하기도 하는데, 잘 생각해보면 창문이 열려있을 뿐 바람이 분 것은 아니었을 겁니다.
이 현상의 원인은 공기의 흐름과 관련되어 있습니다. 참고한 논문은 영국 레스터대학교(University of Leicester)에서 매년 석사논문을 모아 발간하는 ‘특별 물리학 토픽저널(Journal of Physics Special Topics)’입니다.
참고한 논문에서는 이해를 돕기 위해 몇 가지 상황을 설정해놓는데, 방의 구조는 위와 같고, 창문은 닫혀있습니다. 그리고 방문을 닫기까지 1초가 걸리고, 방문을 닫을 때 가하는 힘은 항상 일정합니다.
또한, 방문의 재질은 소나무이고, 크기는 위와 같습니다. 방문은 매우 얇으므로 두께는 고려할 필요가 없고, 방문틀 사이로 공기 흐름은 없습니다.
우리 눈에는 아무것도 보이지 않으나 공기 분자들이 방의 공간을 채우고 있을 겁니다. 이때 방문을 닫으면 닫히는 문에 공기 분자들이 부딪히면서 밀릴 것이고, 공기 분자 충돌이 많아진 만큼 문 앞 영역은 상대적으로 높은 압력(고기압)의 환경을 형성합니다.
그리고 문이 닫히면서 지나간 문 뒤 영역은 없었던 공간이 생기면서 공기 분자들이 팽창해 상대적으로 낮은 압력(저기압)의 환경을 형성합니다. 압력 차이가 생기면 공기 분자들은 평형을 유지하기 위해 고기압에서 저기압으로 이동하는 공기 흐름을 보입니다.
그런데 평형을 유지하려는 공기 흐름보다 문을 닫는 움직임이 더 빠르면 문 앞뒤 영역의 압력 차이는 좁혀지지 않으므로 더 큰 힘이 필요합니다.
그래프로 보면 위와 같은데, 0~5도 사이의 각도에서 문을 닫기 위한 힘이 더 크다는 것을 알 수 있습니다. 다음은 창문이 열린 상태에서 이야기해보겠습니다.
창문이 열린 상태에서는 앞에서 설명한 문 앞뒤의 압력 차이를 줄이기 위한 공기 흐름이 필요 없습니다. 왜냐하면, 창문이 열려있으므로 방 안의 공기가 빠르게 평형을 유지할 수 있기 때문입니다.
따라서 방문을 닫기 위해 그다지 큰 힘이 필요 없는데, 창문이 닫혀있을 때와 비슷한 힘으로 방문을 닫으면 당연히 더 세게 닫힙니다. 그래서 창문이 열려있을 때는 방문을 살살 닫아야 합니다. 여기까지 이해했다면 창문이 열린 상태에서 방문이 혼자 닫히는 이유도 이해할 수 있습니다.
많은 사람이 열린 창문에서 바람이 불어와 방문을 닫은 줄 압니다. 분명 영향이 어느 정도 있으나 이 또한 공기 흐름에 의해 발생하는 현상입니다. 창문을 열어놓으면 계속해서 공기가 순환합니다.
이때 방문 앞 영역에서 공기가 흐르면 앞서 알아본 상황과는 반대로 문 앞의 영역은 상대적으로 낮은 압력을 형성하고, 문 뒤의 영역은 상대적으로 높은 압력을 형성합니다.
공기 분자들은 평형을 유지하기 위해 고기압에서 저기압으로 이동합니다. 즉, 문이 닫히는 방향으로 힘이 발생하고, 점점 닫히면서 공기 흐름도 점점 빨라져 문에 가하는 힘이 세집니다. 이에 따라 관성에 의해 방문이 스스로 닫히면서 ‘쾅!’ 소리를 냅니다. 궁금증이 해결되셨나요?
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