전시관
원리관
시계, 엔진, 자물쇠처럼 매일 쓰지만 속은 본 적 없는 물건을 열어 천천히 움직여 봅니다.
기계는 대부분 덮개 속에서 움직입니다. 원리관의 전시는 그 덮개를 벗기고, 한 주기를 아주 느리게 보는 것부터 실제 속도까지 빠르기를 바꿔 가며 장치를 움직여 볼 수 있게 만들었습니다.
「속 보기」를 켜면 겉이 투명해지고, 「분해」를 움직이면 부품이 서로 떨어집니다. 안내를 차례로 넘기면 힘과 움직임이 어떤 순서로 전해지는지 따라갈 수 있습니다. 모형은 공개된 치수와 비율을 따랐고, 해설 끝에 참고 자료와 확인한 날짜를 적었습니다.
전시
진자시계 원리: 탈진기는 왜 째깍거릴까
진자시계는 길이 99.4 cm 막대 하나로 1초를 셉니다. 진자 길이와 온도, 놓인 곳을 바꾸고 탈진기 네 가지를 갈아 끼우면서 하루에 몇 초가 틀어지는지 확인할 수 있습니다.
4행정 엔진 원리와 두 바퀴마다 반복되는 피스톤 동작
3,000 rpm에서 실린더마다 1초에 25번 폭발합니다. 1기통부터 V8까지 기통 배치와 점화 순서를 바꿔 가며, 엔진을 아주 느리게 돌려 한 행정씩 봅니다.
열쇠 자물쇠 원리와 핀이 맞아 돌아가는 과정을 3D로
흔한 슐라게(Schlage) 열쇠에서 홈 깊이 한 단계는 0.381 mm이고, 그만큼만 달라도 자물쇠는 돌지 않습니다.
자전거 변속기와 기어비의 원리
50×11 기어에서는 페달 한 바퀴에 로드바이크가 9.57 m 나아가고, 34×32에서는 2.24 m 나아갑니다.
자동차 차동기어 원리와 코너의 바퀴 속도를 3D로 비교
시속 50 km로 반경 10 m 커브를 돌면 바깥 뒷바퀴가 안쪽보다 17% 빨리 도는데, 두 바퀴는 같은 축에서 힘을 받습니다.
지구 속은 어떻게 생겼을까
사람이 판 가장 깊은 구멍은 12.3 km인데도 지구 중심의 압력을 몇 퍼센트 오차로 아는 것은 지진파가 지구를 꿰뚫고 지나가기 때문입니다.
계절은 왜 생길까
지구가 태양에 가장 가까워지는 때는 1월 첫 주, 북반구의 한겨울입니다.
달의 위상과 일식·월식은 왜 다를까
달은 29.5일마다 지구와 태양 사이를 지나가는데, 왜 일식은 매달 일어나지 않을까요?
전동기의 원리
1821년 수은 속 패러데이의 도선부터 전기차 회전자 속 자석까지, 전동기 여덟 가지가 모두 전류와 자기장이 서로 미는 힘으로 돕니다.
비행기 뜨는 원리: 날개를 기울여 보는 양력과 실속
날개 위를 지난 공기는 아래쪽 공기보다 먼저 뒤끝에 닿습니다. 둘이 같은 시간에 만나지 않습니다.
아치와 다리가 버티는 법
돌 아치는 돌 사이에 접착제가 없는데도 맨 위에 마지막 돌을 끼우는 순간부터 혼자 섭니다.
밀물과 썰물의 원리
달은 자기 쪽 바닷물을 끌어당기는데, 왜 지구 반대편 바다에도 밀물이 들까요?
논리 회로로 하는 덧셈
이 기판에서 7 더하기 9를 하면 게이트 20개를 거치고, 마지막 자리올림은 스위치를 바꾼 뒤 게이트 지연 8번째에 도착합니다.
지퍼는 어떻게 맞물릴까
지퍼 슬라이더 안에는 움직이는 부품이 하나도 없는데, 같은 Y자 통로가 올라갈 때는 이를 잠그고 내려갈 때는 풉니다.
지도 투영: 세계 지도는 왜 늘어나 보일까
메르카토르 지도에서 그린란드는 아프리카보다 커 보이지만, 실제로는 아프리카가 약 14배 넓습니다.
말 걸음걸이 평보와 속보부터 구보와 습보까지 비교
1878년 머이브리지의 사진은 달리는 말이 네 발을 모두 띄우는 순간이 있고, 그때 다리가 몸 아래로 모여 있다는 것을 보여 주었습니다. 빨리 가도 끝내 땅을 떠나지 않는 동물도 있습니다.
결정 구조: 단위세포, 브라베 격자, X선 회절
소금 한 알은 한 변이 0.564 nm인 정육면체를 쌓은 덩어리이고, 모서리마다 나트륨과 염소가 번갈아 놓입니다.
배는 왜 뜰까
1,900 t짜리 강철 배는 물에 뜨는데, 같은 무게의 강철을 덩어리로 뭉치면 곧장 바닥으로 가라앉습니다.
화산과 지진은 어디서 생길까
P파와 S파가 도착한 시간이 1초 벌어질 때마다 지진이 난 곳은 관측소에서 약 8 km씩 더 멉니다.
눈이 초점을 맞추는 원리: 수정체·안경·흐림을 3D로
눈의 굴절력 약 60 디옵터 가운데 43 디옵터를 각막이 맡는데, 왜 초점 맞추기는 그 뒤의 작은 수정체 몫이라고 할까요?
와트 증기기관 원리를 3D 단면과 응축기로 확인하기
와트 기관은 증기를 따로 마련한 응축기에서 식혀, 뉴커먼 기관과 같은 일을 석탄 3분의 1 정도로 해냈습니다.
크리스퍼 유전자 가위 원리(CRISPR-Cas9)
가이드 RNA가 읽는 DNA는 20글자뿐인데, 대개 그것만으로 사람 유전체 염기쌍 30억 개 가운데 한 자리를 골라냅니다.
제트엔진의 원리
여객기 터보팬에서는 공기 11 kg 가운데 1 kg만 불꽃을 지납니다. 나머지 여섯 가지 제트엔진은 일을 다르게 나누고, 여기서 하나씩 열어 볼 수 있습니다.
ATP 합성효소의 원리
미토콘드리아 속 ATP 합성효소의 회전자는 1초에 약 100바퀴 돌고, 한 바퀴마다 ATP를 세 개씩 내놓습니다.
전기가 집까지 오는 길
전기는 발전소를 34만 5천 볼트로 떠나 220볼트로 콘센트에 닿는데, 전압을 높여야 전류가 줄고 전선에서 열로 새는 전기도 줄기 때문입니다.
도르래와 유압 잭으로 무거운 것을 드는 원리
줄을 여섯 가닥으로 걸면 50 kg 상자를 82 N으로 들 수 있지만, 상자를 1 m 올릴 때마다 줄을 6 m씩 당겨야 합니다.
도로 밑에는 어떤 관과 케이블이 있을까
도로법은 상수도관을 노면에서 1.2 m 넘게, 하수도 본관을 3 m 넘게 묻도록 정하고 있어서 관과 케이블 네 종류가 모두 노면 아래 2 m 안에 묻혀 있습니다.
자이로스코프 원리: 돌고 있는 바퀴는 왜 넘어지지 않을까
1분에 3,000번 도는 바퀴는 축 한쪽 끝만 기둥에 걸쳐 놓아도 떨어지지 않고 2.8초에 한 번씩 기둥 둘레를 돕니다.
기계식 시계 원리: 태엽, 밸런스 휠, 하루 오차
손톱만 한 밸런스 휠이 1초에 여덟 번 흔들리고, 한 번 흔들릴 때마다 톱니바퀴를 이 반 개씩 보내 줍니다.
지진에 버티는 건물
고유주기가 0.6초인 6층 모형을 0.6초마다 흔들면 1초마다 흔들 때보다 층이 약 14배 더 휩니다. 고무 받침과 감쇠기, 가새는 저마다 다른 방법으로 이 문제에 답합니다.
리튬이온 배터리 원리: 충전하면 이온은 어디로 갈까
18650 셀 하나를 충전할 때마다 리튬 이온 약 7×10²²개가 금속 산화물을 떠나 흑연 층 사이로 들어갑니다.
수동 변속기의 원리
엔진이 똑같이 3,000 rpm으로 돌아도 1단에서는 시속 23 km, 5단에서는 시속 115 km가 나오고, 다음 기어가 들어갈 순간은 과자만 한 놋쇠 링 하나가 정합니다.
고딕 성당이 버티는 법
아미앵 대성당의 돌 천장은 바닥에서 42.3 m 높이에 떠 있고, 그 아래 벽은 대부분 유리입니다.
한옥은 어떻게 짓고 데울까
한옥의 뼈대는 깎아 맞춘 나무끼리 물려 서고, 따뜻한 방 밑에서는 아궁이 하나의 불길이 돌 고래를 따라 굴뚝까지 지나갑니다.
액체 로켓 엔진의 원리
누리호 75톤급 엔진은 1초에 케로신과 액체산소 255kg을 태우고, 같은 엔진이 우주에서는 해수면보다 13%쯤 더 세게 밉니다.
DNA 복제 과정: 선도 가닥과 오카자키 절편을 3D로
DNA 중합효소는 가닥의 한쪽 끝에만 뉴클레오타이드를 붙일 수 있어서, 복제 포크마다 새 가닥 하나는 한 줄로 이어 자라고 다른 하나는 짧은 조각으로 자랍니다.
정수 처리 과정: 물 한 방울로 따라가는 응집·침전·여과·소독
지름 2마이크로미터 진흙 알갱이는 침전지 바닥까지 가라앉는 데 열하루가 걸리지만, 응집제로 플록이 되면 두 시간 남짓이면 닿습니다.
타워 크레인이 넘어지지 않는 이유
마스트 옆에서 8톤을 드는 타워 크레인도 50 m 지브 끝에서는 3.2톤까지만 드는데, 그 까닭은 곱셈 하나에 있습니다.
로봇 팔의 원리
6축 로봇 팔의 손끝을 250 mm/s로 옆으로 밀다가 공간의 어떤 선 옆을 지나면, 손목 관절 하나가 1초에 510°씩 돌아야 합니다.
터보차저의 원리
2.0L 엔진 모형에서 142,000rpm으로 도는 축 하나가 실린더마다 공기를 거의 두 배로 밀어 넣습니다.
신경 신호가 전해지는 원리
신경세포는 평소 −70 mV에 머물다가 자극이 막 전위를 −55 mV 근처까지 끌어올리면 언제나 같은 크기의 활동전위를 내보냅니다.
태양전지는 어떻게 전기를 만들까
햇빛을 정면으로 받는 60셀 지붕 패널은 약 300 W를 만들고, 그 전기는 모두 실리콘 조각마다 들어 있는 전기장에서 나옵니다.
광섬유와 해저 케이블의 원리
해저 케이블 속 빛이 지름 8.2 μm 유리 코어를 수천 km 동안 벗어나지 않는 것은 코어 벽에 84.5°보다 비스듬히 부딪히기 때문입니다.
광합성의 원리
햇빛을 받는 나뭇잎은 이산화탄소가 100만분의 426 정도밖에 없는 공기에서 탄소를 거둬 당을 만듭니다.
트랜지스터 원리: 스위치 하나에서 컴퓨터까지
트랜지스터 160억 개가 든 칩은 실리콘에 닿지도 않는 게이트에 몇 볼트를 걸어 하나하나를 켜고 끕니다.
디스크 브레이크와 ABS의 원리
시속 100 km에서 바퀴가 잠기면 마른 길에서도 51 m를 미끄러지지만, ABS가 바퀴를 계속 굴려 주면 같은 모형 자동차가 36 m 안에 섭니다.
GPS 원리와 위성 신호로 휴대폰 위치를 계산하는 방법
GPS 신호가 20,200 km를 내려와 휴대폰에 닿기까지 약 0.07초가 걸리고, 시계가 100만분의 1초만 틀려도 위치는 300 m 어긋납니다.
엘리베이터 작동 원리: 균형추·비상 정지·운행 순서
사람을 가득 태운 엘리베이터 카는 2톤 가까이 나가지만, 로프 반대편에 매달린 균형추 덕분에 모터가 실제로 들어 올리는 무게는 그 4분의 1 남짓입니다.
심장이 뛰는 법
심장은 한 번 뛸 때마다 피를 약 70 mL씩 내보내고, 쉬고 있을 때의 빠르기로 하루에 10만 8천 번쯤 이 일을 되풀이합니다.
풍력 발전기는 어떻게 전기를 만들까
날개 길이 61 m인 풍력 발전기는 초속 11.4 m를 넘는 바람에서 블레이드를 바람 쪽으로 돌려 출력을 정격에 묶어 둡니다.
우주복 없이 우주에 나가면 몸은 어떻게 될까
우주복 없이 진공에 나가면 정신을 차리고 움직일 수 있는 시간은 약 10초이고, 1분쯤 안에 공기가 돌아오면 회복할 수 있습니다. 몸이 터지지는 않습니다.