전문가연재 역사속의유체역학 (5) 민태기ㅣ ( 주 ) 에스엔에이치상무 17세기의뉴턴역학으로부터촉발된과학혁명과계몽주의가커피하우스와서신공화국을통해 18세기에는서구사회전역으로확장되었지만, 아직과학은신비주의에서크게벗어나지못했고,

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역사속의유체역학 (5) 민태기ㅣ ( 주 ) 에스엔에이치상무 e-mail : tmin@e-snh.co.kr 17세기의뉴턴역학으로부터촉발된과학혁명과계몽주의가커피하우스와서신공화국을통해 18세기에는서구사회전역으로확장되었지만, 아직과학은신비주의에서크게벗어나지못했고, 아리스토텔레스의 4원소설에기반한연금술이여전히지식인들사이에서주류담론이었다.

블랙은또한 1761년얼음이녹을때온도변화없이열이흡수되는것을관찰하고, 이를 숨어있는열 이라는의미로 잠열 ( 潛熱 latent heat) 이라고명명했다 [1, 2]. 그는또한물질에따라가해지는열에따른온도상승이달라짐을발견하여 비열 의개념을정립하여열역학의기초를열었다.

1 역사속의유체역학 (5) 민태기ㅣ ( 주 ) 에스엔에이치상무 tmin@e-snh.co.kr 17세기의뉴턴역학으로부터촉발된과학혁명과계몽주의가커피하우스와서신공화국을통해 18세기에는서구사회전역으로확장되었지만, 아직과학은신비주의에서크게벗어나지못했고, 아리스토텔레스의 4원소설에기반한연금술이여전히지식인들사이에서주류담론이었다. 하지만 18세기후반새로이관측된 실험 결과들이 정량화 되자연금술 (alchemy) 이무너지고화학 (chemistry) 으로대체되면서비로소과학이신비주의에서벗어나게된다. 1750년대초스코틀랜드글래스고대학의의대교수조셉블랙에의해새로운기체인이산화탄소가처음발견이되며, 기체 = 공기 라는 4원소설이흔들리기시작한다. 블랙은또한 1761년얼음이녹을때온도변화없이열이흡수되는것을관찰하고, 이를 숨어있는열 이라는의미로 잠열 ( 潛熱 latent heat) 이라고명명했다 [1, 2]. 그는또한물질에따라가해지는열에따른온도상승이달라짐을발견하여 비열 의개념을정립하여열역학의기초를열었다. 1765년목회자였던프리스틀리는버밍엄의 Lunar Society에가입하여지식인들과교류하는데, 이모임에서벤저민프랭클린을만나 전기 에대해알게되고, 이어지는실험을통해전기력이거리의제곱에반비례하는것을발견한다 [3]. 그는이공로로 1766년런던왕립학회회원이되었다. 같은해, 귀족갑부캐번디시는또다른새로운기체를발견하였는데, 당시는정확한정체를몰랐기에 가연성공기 로불렀다 [4]. 이새로운기체는공기보다무거웠던이산화탄소에비해매우 가벼웠기에, 블랙은흥미를느끼고이를종이에밀봉하여대기중에띄울아이디어를구상했다. 하지만생각과달리당시의종이로는이 가연성공기 가잘가두어지지않아실현되지는못한다. 1774년, 프리스틀리는연소과정에관련한기체를발견하는데, 이를당시유행하던 플로지스톤 이론과 그림 1 프랑스혁명기의대표적인화가 David 가 1788 년에그린라부아지에부부초상화 ( 뉴욕메트로폴리탄미술관소장 ). 라부아지에부인에게그림을가르치던 David 는프랑스혁명과동시에급진파에합류하여, 루이 16 세의처형판결을주도하였고, 이후 1793 년의공안위원회의 12 인중의한사람으로수없는단두대판결을지휘했는데, 그중에는라부아지에도있었다. 하지만라부아지에가처형되고불과두달뒤인 1794 년 7 월, 로베스피에르가실각하고하루만에단두대에서처형당하자, 다비드는투옥되었다. 출옥한뒤그는나폴레옹에게발탁되어널리알려진여러나폴레옹시대의그림을남기며화려하게부활한다. 하지만 1815 년나폴레옹이몰락하자벨기에로망명하여그곳에서쓸쓸히생을마감했다. 56 기계저널

2 결합하여설명하려했다 [5]. 같은해, 그는파리를방문하였고, 이자리에서신참내기학자라부아지에는프리스틀리의연구결과에주목한다. 1775년, 라부아지에는프리스틀리가발견한기체와연관된반응이단순한연소가아니라플로지스톤이론과달리 산 ( 酸, acid) 이생성된다는것을밝힌다. 그는이기체에대해라틴어로 산을생성하는원소 라는의미로 산소 ( 酸素 Oxygen) 라고이름붙였다 [6]. 또한, 그는생물의호흡역시산소가소비되는느린연소반응으로설명하였다. 이러한연소연구에대한공로로라부아지에는프랑스화약제조의총책임자로임명된다. 이러한정량적실험의발달은 1752년달랑베르역설에의해돌파구를찾지못하던유체역학에도영향을준다. 1775년프랑스아카데미는유체저항에대한연구를위해달랑베르가주도하는실험팀을구성하는데, 달랑베르는백과사전저자중한명이었던 Bossut에게실무를맡겼다. Bossut은모형배를수조에서끌며정밀한계측을통해저항은속도의제곱에비례함을보였다 [7]. 1781년 Coulomb에의해물체의접촉면의 마찰저항 에대한연구가발표되고, 이에힌트를얻은 Du Buat은파이프내유체실험을통해속도의제곱이아니라속도에비례하는유동의마찰저항을발견한다. 이후 Prony는더욱정밀한실험을통해유체의저항은속도의제곱에비례하기도하고, 속도에비례하기도하는 a * v 2 +b * v로표현될수있음이밝혀진다. Coulomb 은이를종합하여유체의저항은두가지형태를띄는것으로정리했다.[8] 1782년, 연소연구에서히트를친라부아지에는이를확장하여블랙이진행했던열에대한연구를심화한다. 그는달랑베르가발탁한라플라스와함께블랙의열량계를개량하여상변화에따른열의출입을정량화하는데, 이를통해물질의상태는기체, 액체, 고체의세가지형태라는이론을정립하였다. 같은해, 프랑스의몽골피에형제는캐번디시의 가연성공기 를종이봉지에가두려던블랙의아이디어와달리가열공기로종이봉지를띄울수있음을발견하고, 이를확장하여 가열공기를천으로만든대형풍선에넣어띄우는열기구를발명한다 [9]. 자신감을얻은이들형제는사람들이보는가운데공개실험을하기로발표한다. 1783년라부아지에는라플라스와공동연구를통해캐번디시가발견한 가연성공기 를연소하면물이된다는것을보이고, 물을만드는원소 라는의미로 수소 ( 水素 Hydrogen) 라고이름붙였다. 여전히플로지스톤이론에집착한프리스틀리는이수소가바로연소의핵심물질플로지스톤이라고주장하며다시한번헛다리를짚는다 [10]. 한편, 몽골피에형제가종이봉지가아닌천으로된풍선을이용하자, 샤를은종이와달리천풍선에는수소를채울수있음을깨닫고수소를이용한기구개발에착수한다.[11] 1783년 7월 4일, 몽골피에형제의열기구공개실험이성공한다. 뒤이어 8월 27일샤를역시수소기구공개시연에성공한다. 두팀의경쟁은격화되어, 9월 19 일베르사유궁에서루이 16세부부가지켜보는가운데몽골피에형제는동물을열기구에실어나르는공개실험에성공하고, 이에루이 16세는열기구에사람이타는것을허락한다. 마침내 11월 21일몽골피에형제는유인열기구공개시연에성공하며탑승자인 de Rozier 는인류최초유인비행사가되었다. 이에뒤질세라샤를역시 12월 1일, 유인수소기구를시연하는데대담하게도탑승자는샤를자신이었다. 파리에머물며이과정을목격한벤저민프랭클린은감탄하며곧인류사에새로운수송시대가열릴것을직감했다.[12, 13] 1785년스타학자의반열에오른라부아지에는물을산소와수소로분리하며 4원소설을완전히뒤엎고, 이어지는연구를통해플로지스톤이론의헛점을논증한다 [14]. 한편, 당시프랑스의정치상황은왕실과귀족에대한불만이고조되며급박하게전개된다. 파리에서 Cafe Procope를들락거리던디드로의후계자보마르셰가귀족사회를비꼬며 1774년발표한희곡 세비야의이발사 가대성공을거두고, 이에고무되어 1784년발표한속편 피가로의결혼 역시히트를치자깜짝놀란당국에의해금지되기에이른다 [15]. 하지만프랑스정 , Vol. 57, No. 5 57

부의재정압박으로조세징수관의역할도겸하던라부아지에는세금징수에더욱고삐를죄고, 심지어확실한과세를위해 1787년에는파리전체를둘러싼성벽을만들기까지하여시민들의원망의대상이되고만다. 1789년 7월 14일바스티유습격으로프랑스대혁명이시작된다. 초기에는라부아지에도혁명을지지하였지만, 루이16세가처형되고 1793년들어선급진좌파공안위원회의공포정치에상황은급변하였다.

3 부의재정압박으로조세징수관의역할도겸하던라부아지에는세금징수에더욱고삐를죄고, 심지어확실한과세를위해 1787년에는파리전체를둘러싼성벽을만들기까지하여시민들의원망의대상이되고만다. 1789년 7월 14일바스티유습격으로프랑스대혁명이시작된다. 초기에는라부아지에도혁명을지지하였지만, 루이16세가처형되고 1793년들어선급진좌파공안위원회의공포정치에상황은급변하였다. 혁명의권력이부르주아에서도시빈민으로교체되면서 조세징수관 이단두대를피해가기는힘들었다. 이소식을들은영국의캐번디시는프랑스혁명정부에게라부아지에를영국으로망명시키는조건으로자신의큰재산을걸었지만곧바로거절당한다. 결국라부아지에는 1794년 5 월 8일재판을받고그날오후바로처형되었다 [16]. 한편, 늘라부아지에와반대의길을걷던영국의프리스틀리는 1791년버밍엄에서프랑스혁명 2주년기념모임을주도하다가반대파의폭동이일어나집과교회, 연구 소가불타고파괴되었다. 1794년집도절도없이떠돌이도망자신세가된프리스틀리를위해캐번디시가나서자신의사재를털어그를미국으로망명시켰다.[17] 아담스미스에게영감을주었던라부아지에의친구 P. S. du Pont은 1771년태어난아들 E. I. du Pont을라부아지에에게부탁하여당시로는첨단기술인화약제조법을배우게한다. 1789년프랑스혁명이발생하자, 이들부자는초기에라부아지에와함께혁명에적극참여하였으나, 1792년루이16세의처형에반대하였다는이유로로비에스피에르가주도하던공안위원회에체포되어단두대형을받게된다. 다행히 1794년로비에스피에르가실각하여 du Pont 부자에대한단두대형이중지되지만그들이감옥에있는동안집이약탈당하자, 프랑스의현실에진절머리가난 du Pont 부자는 1799년미국으로망명한다. 갓태어난신생국미국에서뭐해먹고살지를걱정하던그때, E. I. du Pont은미국의화약이터무니없이비싸고질이낮다는것을알게된다. 이에라부아지에에게서배운기술로화약제조회사를만드는데, 이것이듀퐁사의시작으로이때가 1802년이었다. 이후미국이치른각종전쟁에서듀퐁사는미정부의군납업체로초고속성장을하였고, 남북전쟁이후에는재벌의반열에들어서며오늘날에는손꼽히는거대다국적기업이되었다.[18] 그림 년 7 월 14 일폭도들에게불타는프리스틀리의집. 무려 4 일간이나지속된이폭동에서 Lunar Society 회원들집대부분이습격당했고정부는방관한다. 이미시민혁명을겪은영국은프랑스혁명초기에이를환영했다. 하지만 1791 년 6 월루이 16 세가국외도주하다가잡혀감옥에갇히며재판에회부되자프랑스에서영국과같은입헌군주제는물건너간일이되었고영국정부는이를심각하게인식했다. 여기에미국독립전쟁에프랑스의역할이부각되며프리스틀리의행동은영국시민들에게는반애국적인일로교묘히변질되어인식된다. 이사건을역사에서는 프리스틀리폭동 (Priestley Riots) 이라고부른다. [1] 조셉블랙은제임스와트의친구로증기기관개발에상당한영향을주는데상세한내용은 역사속의유체역학 (4) 를참고. [2] 1714년독일출신의학자로영국에서활동하던 Fahrenheit 가수은 (Mercury) 온도계를발명하였고, 1742년스웨덴학자 Celsius가이를개량한온도계를발명하였다. 블랙이잠열을발견한것은이처럼 1도단위로측정할수있는정밀한온도계가탄생했기때문이다. 한편, 영국의대표적인 Rock그룹 Queen의리더프레디머큐리의별명이 Mr. Fahrenheit 이고, 대표곡인 Don t stop me now 의가사에등장한다. [3] Lunar Society와제임스와트등당대지식인들의교 58 기계저널

4 류와여기서어떻게증기기관이탄생하는지에대해서는 역사속의유체역학 (4) 를참고. 한편, 프리스틀리의전기력연구에서도출된거리의역제곱은나중에 Coulomb에대해정교화되어 쿨롱의법칙 이되었다. [4] 캐번디시는프리스틀리의연구를따라전기에대해서도많은연구를진행했으나발표하지않고있었다. 그의연구가알려진것은 100년이나지난뒤캐번디시연구소설립을맡은맥스웰에의해그의연구노트가공개되면서이다. [5] 플로지스톤이론에의하면가연성물질은플로지스톤을함유하여연소는플로지스톤이빠져나가는현상으로설명된다. 한편, 프리스틀리는 1770년당시까지도쓸모없었던 Gom 이라는물질을지우개로쓸수있음을발견하여이를 rubber라고부르기시작했다. 참고로 Gom 은일본어발음으로 ゴム ( 고무 ) 라불린다. [6] Oxy는라틴어로 acid라는뜻이며, gen은생성한다는의미인데, 산소 ( 酸素 ) 는이의미를살린일본어표기이다. [7] 뉴턴이프린키피아에서밝힌유체의저항은속도에비례하는것이었기에이결과는항력연구에새로운지평을열었으며, 벤저민프랭클린역시 Bossut 의실험을재현하며속도의제곱에비례하는유체저항을확인한다. [8] Coulomb이구분한두가지유체저항은속도의제곱에비례하는저항을 형상저항 (foam drag) 으로, 속도에비례하는저항을 마찰저항 (friction drag) 으로엄밀화하며 19세기 Navier와 Stokes의점성유동연구의기반이되었다. 한편, 당시해군력싸움에서선박의효율이중요해지며유체저항은국가의운명을건연구이기도했다. 하지만이두가지저항만으로는모형선박실험은실제와잘맞지않았는데, 이는 19세기 Froude에의해 조파저항 이추가되며비로소해답을찾게된다. [9] 몽골피에가문의선조는십자군전쟁에참가했다가이슬람의포로가되어이슬람의제지술을알게되었는데, 나중에석방되어프랑스에제지산업을일 으켰다. 서신공화국의영향으로 18세기의신성장동력산업인출판업이대박을치자몽골피에가문도제지산업으로꽤부를축적하였다. 그들이종이봉지를띄우는연구를하게된데에는이러한배경이있었다. 한편, 몽골피에가문의제지산업은오늘날까지이어지며현재는 Canson이라는상호로루브르박물관의중요후원사중의하나이다. [10] 기체연구에심취한프리스틀리는다양한실험을통해 1780년인류최초로탄산수제조법을발명한다. 이후영국에서는다양한탄산수제조법이제안되었고, 가정에서도손쉽게만들수있는탄산수제조법특허는 1903년영국의양조업자 Gilbey에의해탄생한다. 하지만유럽에서음료수는대부분와인과맥주, 커피였고탄산수는광천수가대량으로유통되었기에크게주목받지못했다. 여러회사로소유권이돌아다니던 Gilbey의특허는 1998년이스라엘의소다스트림이인수한후마침불어닥친웰빙붐으로대박을치는데, 이회사의가치는현재 2조원에이른다. [11] 샤를은나중에기체의온도-부피에대한법칙을유도하는데, 1802년게이-뤼삭이미발표였던이연구를발굴하여 샤를의법칙 이라고이름붙였다. [12] 열기구는수소기구보다안전했지만부력은수소기구가더강력했고가열할필요가없어장거리비행에유리했다. 이에 de Rozier는스승 Proust( 일정성분비의법칙 의그프루스트 ) 와함께열기구에수소기구를결합한하이브리드기구를개발하고 1785년영국해협횡단을시도하다가폭발로사망한다. 이로써 de Rozier는인류최초의비행사이자인류최초의항공사고사망자가되었는데, 이소식을들은그의약혼녀는며칠뒤자살한다. [13] 당시프랭클린이파리에머물렀던이유는 1783년까지지속된독립전쟁에서프랑스의원조를위한외교때문이었고, 그결과식민지의승리로 1783년 9월 3 일파리조약에의해신생국미국의독립이승인된다. 이과정에서프랑스정부의신뢰를쌓은프랭클 , Vol. 57, No. 5 59

5 린은루이16세의요청으로라부아지에, 기요탱과함께 메스머 조사에착수한다. 독일의사메스머는일종의최면술에기반한기치료를하고있었는데, 라부아지에와프랭클린콤비는실험군과대조군이라는개념을통해그의사기행각을과학적으로밝힌다. 이러한접근방법은이후의약품이나의료행위에서검증의표준이되는 임상시험 의시초가되었다. [14] 하지만프리스틀리를비롯한당시학계의상당수는여전히플리지스톤이론을믿고있었다. 뉴턴역학이받아들여지는데도상당한기간이필요했듯이플로지스톤설이완전히극복되는데에도많은시간이필요했다. 한편, 당시열의이동은 칼로릭 이라는입자의유동으로설명되었는데, 라부아지에나라플라스역시이러한칼로릭이론을받아들였고 1824년카르노의열역학이론도칼로릭이론에기반한다. 뉴턴에의해열은입자의운동이라는가설에따라이미 1738년다니엘베르누이는그의유체역학저서 Hydrodynamica에서칼로릭의도입없이열은유체입자의동역학적운동이라는개념을제시했으나당시엔캐번디시정도만지지했고, 이것이받아들여지는것은한참뒤의일이다. [15] 모차르트가이러한불온작품을 1786년오페라로작곡해공연한것은당시로도상당한논란거리였는데, 이는보마르셰의희곡을오페라로잘각색한모차르트의단짝로렌초다폰테의능력도한몫했다. 한편, Queen 의대표곡인보헤미안랩소디가사에는난데없이 피가로 와 갈릴레오 가같은소절에등장하는데, 천문학자갈릴레오의아버지로렌초갈릴레이는 16세기말에인류최초로오페라를만든음악가이고보헤미안랩소디앨범의제목이 A Night at the Opera 이다. 또한 Queen의기타리스트브라이언메이는천문학박사로서 2007년에는영국존무어스대학의총장으로임명되기도했다. [16] 라부아지에의재판에참석한몽골피에와샤를은적극적으로그의유죄를주장했고, 라부아지에가사형당한단두대는라부아지에와함께메스머논 증을같이한동료기요탱 (Guillotin) 이고안한것이었다. 한편, 라그랑주는프랑스혁명초기희생될뻔했으나라부아지에의비호로살아남았다. 하지만뒤에라부아지에가재판에회부되자두려움에입을닫았고, 공안위원회의광기가사라진다음에서야 이머리를베어버리기에는일순간으로충분하지만, 프랑스에서같은두뇌를만들려면 100년도넘게걸릴것이다 라고평가했다. [17] 1798년캐번디시는뉴턴만유인력법칙의미지수였던중력상수 G를구하는데성공한다. 엄청난재력가귀족이었던그는 1810년사망하는데, 그의막대한유산은여러후손을거쳐증식되다가 1874년케임브리지대학에기부되며그의이름을딴캐번디시연구소가설립되었고이연구소에서 28명의노벨상수상자가배출된다. [18] 이처럼당시상당수인재들이기회의땅미국으로건너갔는데, 그중에는모차르트의단짝로렌초다폰테가있었다. 1805년그는뉴욕맨해튼에정착하여컬럼비아대학교수가되었고, 그에의해맨해튼에서미국최초로오페라가시작되어, 오늘날세계최대의오페라단인메트로폴리탄오페라단으로이어진다. 한편, 1764년영국귀족의혼외자로태어난 James Smithson은 1787년최연소런던왕립학회회원으로선출되는데투자자로서도성공하여엄청난돈을벌었다. 그는 1829년사망하면서전재산을당시신생독립국인 미국 에준다는유언을남긴다. 그가왜한번도가본적도없는미국에이재산을넘겼는지는정확히알수없지만아마도열렬한공화주의자였던그는미국을이상적인민주주의국가로보았던것같다. 그의유산은금화 11박스로전체무게는무려 769kg에달했는데, 인류의과학과지식을증진하고확산하기위해사용해달라는그의유지에따라 1846년 Smithsonian Institute가발족한다. 현재스미소니언은 19개의박물관과미술관, 동물원, 9개의연구센터를보유하고있고전체전시물의개수는 1억 5,400만개가넘는다. 60 기계저널

16<C624><D22C><ACFC><D0D0> <ACE0><B4F1><BB3C><B9AC><2160>_<BCF8><CC45>.pdf

16<C624><D22C><ACFC><D0D0> <ACE0><B4F1><BB3C><B9AC><2160>_<BCF8><CC45>.pdf I I 02 03 04 05 06 II 07 08 09 III 10 11 12 13 IV 14 15 16 17 18 a b c d 410 434 486 656 (nm) Structure 1 PLUS 1 1. 2. 2 (-) (+) (+)(-) 2 3. 3 S. T.E.P 1 S. T.E.P 2 ) 1 2 (m) 10-11 10-8 10-5 C 10-2 10