기구 체험장에 열기구를 타러 온 양과장네 가족. 열기구가 지상으로부터 20여 미터 올라오자 정여사를 뺀 양과장과 현민이, 채원이는 멋진 광경에 탄성을 질렀다.

“아빠~ 정말 정말 멋져요. 이런 열기구를 매일 매일 타고 다녔으면 좋겠어요.”
“하하, 우리는 재미있는데 엄마는 그렇지 못한 것 같구나!” 짧은 열기구 체험이 끝나자 못내 서운한 현민이가 양과장에게 말했다.
“아빠, 열기구 정말 재미있어요. 그런데 열기구는 누가 처음 만든 거예요? 집에서도 만들 수 있을까요?”
“하하! 현민이가 열기구의 매력에 흠뻑 빠졌나 보네? 그럼 열기구는 집에 가서 만들어 보기로 하고 열기구에 대해 잠시 이야기해 줄게.”

“열기구에 대한 최초의 역사적 기록은 1783년 프랑스 리옹에서란다. 당시 몽골피에 형제는 지름 약 10.5m 기낭에 짚을 태워 공기를 데운 후 약 300m까지 상승했다고 해.”
“와~ 그럼 몽골피에 형제는 처음 기구를 타고 아주 기뻐했겠네요.”
“아냐, 몽골피에 형제는 열기구 실험에 최초로 성공한 사람이지 실제로 그 열기구에 탄 것은 아니었단다.

열기구에 최초로 탑승해 성공한 사람은 1783년 11월 12일 프랑스의 P.로지라는 사람으로 파리 근교에서 종이로 만든 열기구로 약 25분간 비행한 것이 처음이란다.”
“에게… 겨우 25분이요? 우리가 탄 기구는 한참 오래 있었잖아요.”
“그래. 그런데 그 당시에는 뜨거운 공기를 담는 기낭을 종이로 만들었고 공기를 데우는 것도 짚이나 나무를 태워 했기 때문에 계속 뜨거운 공기를 만들 수가 없었어. 그래서 그렇게 오래 날 수가 없었단다.”
“그러면 언제부터 우리가 보는 열기구가 등장한 거였어요?”

“사실 몽골피에 형제의 열기구 실험 성공 이후 열기구는 많은 과학자에게 영감을 줘 몽골피에 형제가 열기구 실험에 성공한 같은 해 12월 1일 프랑스 물리학자였던 쟈크 샤를이 공기 대신 수소 가스를 기낭에 채워 장시간 비행을 성공한 이후 본격적인 기구 시대를 열었단다.”
“아~ 그렇구나. 그러면, 아빠! 열기구는 어떤 원리로 날 수 있는 거예요?”
 “어, 그건 아주 간단해. 차가운 공기에 열을 가하면 공기 속의 분자들이 활발하게 움직이면서 부피가 증가하게 된단다.

그리고 밀도는 질량/부피이기 때문에 부피가 증가하게 되면 동일 질량에서 당연히 밀도도 작아지게 되지. 즉 기낭 안의 공기 밀도와 기낭 밖의 공기 밀도가 달라지는 거야. 기낭 밖의 공기 밀도는 조밀하고 기낭 안의 공기 밀도는 느슨하기 때문에 여기서 부력이 발생해 공중으로 뜨게 되는 거란다.”
“그러니까…. 꽉 찬 공기들이 좀 느슨한 공기들을 위로 밀어올린다는 말인 거네요.”
 “그렇지. 그러면 우리 이 열기구를 만들어 보면서 한번 확인해 볼까?”
“네~ 좋아요!”

실험 방법 

★ 준비물 :  큰 비닐봉지, 가는 철사, 알코올, 솜, 라이터, 펜치, 스카치테이프 (열기구가 충분한 부력을 가질 수 있도록 비닐봉지는 중 대형 크기의 봉지를 구하고 철사는 최대한 열기구가 가볍게 하기 위해 되도록 가는 철사가 좋다)

1. 비닐봉지의 윗부분에 공기가 새지 않도록 스카치테이프로 밀봉한다.

2. 비닐봉지 밑부분에 철사로 둥글게 테두리를 만든다.

3. 둥근 테두리에 십자로 철사를 고정하되 약간 밑으로 쳐지게 한다.

4. 십자가가 교차한 곳에 철사로 알코올 묻힌 솜을 고정한다.
5. 비닐봉지 윗부분을 손으로 잡고서 솜에 불을 붙인다.

6. 비닐봉지가 팽팽하게 부풀어 오르면 잡은 손을 살며시 놓아본다.

[실험 Tip] - 기낭 속에 공기를 많이 가열할수록 상승하려는 힘은 더욱 커진다. - 불을 사용해야 하기 때문에 화재에 주의한다.

글 : 양길식 과학칼럼리스트
(자료제공 : kisti의 과학향기(www.yeskisti.net/scent))