[다큐 사이언스] 가득참을 경계하라, 계영배

계영기원 여이동사(戒盈祈願  與爾同死) “가득 채워 마시지 말기를 바라며, 너와 함께 죽기를 원한다.” 상도(商道)에서 조선시대 거상 임상옥이 가지고 있었다는 계영배에 새겨진 문구이다. 잔의 7할 이상을 채우면 모두 밑으로 흘러내려 버려 ‘넘침을 경계하는 잔’이라는 속뜻이 있는 계영배는 과욕을 하지 말라는 것을 보여주는 상징물이기도 하다.   계영배(戒盈杯) – 넘침을 경계하는 잔

계영배는 고대 중국에서 과욕을 경계하기 위해 하늘에 정성을 드리며 비밀리에 만들어졌던 ‘의기(儀器)’에서 유래되었다고 한다. 자료에 의하면 공자(孔子)(BC551- BC479)가 제(齊)나라 환공(桓公 ?-BC643)의 사당을 찾았을 때 생전의 환공이 늘 곁에 두고 보면서 스스로의 과욕을 경계하기 위해 사용했던 ‘의기’를 보았다고 한다.   이 의기에는 밑에 분명히 구멍이 뚫려 있는데도 불구하고 물이나 술을 어느 정도 부어도 전혀 새지 않다가 7할 이상 채우게 되면 밑구멍으로 쏟아져 버렸다. 환공은 이를 늘 곁에 두고 보는 그릇이라 하여 “유좌지기(有坐之器)”라 불렀고 공자도 이를 본받아 항상 곁에 두고 스스로를 가다듬으며 과욕과 지나침을 경계했다고 한다.

계영배에 7할 이상 술을 채우면 밑으로 흘러 버린다.

 

 

계영배의 구조를 살펴보자! 계영배는 잔의 70% 이상 술을 채우면 모두 밑으로 흘러내린다. 그렇다면 과연 그 이유는 무엇일까?  우선 계영배를 들여다보면 잔 밑에 구멍이 하나 뚫려 있는 것을 확인할 수 있다. 또 잔 내부를 보면 가운데 둥근 기둥이 있고 그 기둥 밑에 또 구멍이 하나 뚫려 있다. 계영배의 비밀은 바로 그 둥근 기둥 속에 감춰져 있다. 그 비밀은 술잔 정중앙을 싹둑 자른 단면을 보면 확연히 드러나게 된다. 계영배의 가운데 기둥 안에는 빨대를 말굽 모양으로 구부려 놓은 듯한 관이 숨어 있다. 술을 적당히 부으면 기둥 밑의 구멍으로 들어간 술이 기둥 안쪽 관의 맨 위까지 넘어가지 않기 때문에 술이 아래쪽으로 새지 않는다. 하지만 술을 가득 부어 기둥 속 관의 맨 위까지 차면 구부러진 말굽 위로 넘어가게 되어 술이 아래쪽으로 빠지게 된다. 이때 잔 아래 구멍으로 연결된 관은 술이 빠지는 만큼 진공상태가 되므로 관 안쪽과 바깥의 압력 차로 인해 기둥 밑의 구멍 안으로 술이 계속 들어가 바닥이 보일 때까지 새게 된다.

 

 

이런 현상이 일어나는 이유는 무엇일까? 그 해답은 바로 ‘압력’에 있다. 술을 관의 맨 윗부분 높이보다 적게 따를 경우, 잔 내부의 수압과 기둥 내의 대기압이 같기 때문에 술이 새지 않는다. 하지만 술을 계속해서 따를 경우, 잔을 채운 수압이 기둥 안쪽의 대기압보다 커져, 술이 잔 밑바닥과 연결된 통로 끝까지 빨려 들어간다. 이로 인해 술이 잔 밑바닥으로 빠져나가는 것이다.     계영배의 원리 – 사이펀의 원리 계영배에는 잔을 기울이지 않고도 구부러진 관을 이용하여 액체를 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 하는 사이펀의 원리가 담겨 있다. 사이펀(siphon)이란 옮기기 위험하거나 힘든 액체를 기압차와 중력을 이용하여 쉽게 다른 곳으로 이동시킬 수 있는 연통형의 관을 말한다. 그림의 A의 물이 B로 이동하는 이유는 속이 빈 원통형 막대(사이펀은 막대에 액체가 차 있어야 작동한다)의 긴 쪽(중간에서부터 꺾어진 곳)이 중력을 더 받아서 짧은 쪽보다 내려가는 힘이 더 크기 때문이다. 공기나 물처럼, 유체의 경우 압력은 단위시간당 지나가는 유체의 부피/통과하는 단면적이 되는데, 갑자기 좁은 곳으로 많은 물질이 지나가기 때문에 압력이 강해지게 된다. 이것이 사이펀의 원리이다.

 

계영배의 단면.

사이펀은 기압차와 중력을 이용하여 액체를 옮기는 관을 말한다.

 

 

이 원리는 높은 쪽의 액면에 작용하는 대기압으로 인해 액체가 관 안으로 밀어 올려지는 것을 이용한 것이다. 낮은 쪽의 액면에도 대기압이 작용하고 있으나 액체를 밀어 올리는 힘은 액면의 높이 차와 같은 높이를 가지는 액체 기둥의 압력만큼 약하게 된다. 그림으로 보면 A의 물이 B로 이동하고 있다. 이유는 속이 빈 막대 중간에서부터 긴 쪽이 중력을 더 받아서 내려가는 힘이 짧은 쪽보다 강하게 작동하게 된다고 말할 수 있다.     우리 실생활에서 찾아볼 수 있는 사이펀의 원리 이러한 사이펀의 원리는 우리 생활과 매우 밀접하게 관련되어 있다. 우리 생활에 정말 없어서는 안 될 화장실, 그 가운데에서도 수세식 변기는 필수적인 요소이다. 매일 처리하는 엄청난 양의 용변을 처리하는 수세식 변기를 보면서 어떤 방법으로 물이 내려가고 또 딱 그만큼의 양이 다시 차 올라서 일정한 수위가 유지되는지, 또 왜 더 흘러내리지 않고 있는지 궁금한 적이 있을 것이다.

 

수세식 변기의 단면, 노란색 부분이 사이펀이다.

대부분의 가정에서 사용하는 변기는 물의 낙차를 이용한 것이 대부분인데 변기 내부를 살펴보면 하수도와 연결된 부분(노란색)에 U자 형태의 관이 있는데, 이것을 사이펀이라고 한다. 우리가 변기에서 용변을 본 후 레버를 내리면 물탱크의 마개가 열려 변기 안에 한꺼번에 많은 물이 들어가고, 그 물의 압력으로 사이펀이 완전히 물로 채워지면서 사이펀 내부의 대기압이 사라지고 변기의 물과 배설물이 함께 하수구로 빠져 나가게 된다. 물이 모두 빠져 나가버린 후 변기에 서서히 물이 채워지면 물이 압력이 사이펀을 가득 채울 만큼 충분하지 않기 때문에 변기에 남게 된다.   사이펀을 넘지 못하고 남겨진 물은 하수구로부터 각종 이물질이나 악취가 올라오는 것을 막아준다. 세면대와 싱크대의 배수파이프를 U자나 P자로 만들어 구부러진 곳에 물이 고이게 하는 것도 같은 원리라고 보면 된다. 이외에도 수동식 주유 펌프, 어항세척기, 정수처리용 여과기, 오수처리장의 슬러리 이송펌프 등 사이펀의 원리가 적용된 제품들을 우리 주변에서 볼 수 있다.

 

 

 

글 손성근 / 국립과천과학관 전시기획총괄과 연구사

서울대학교에서 기록관리학으로 석사학위를 받고, 2007년 PMP(Project Management Professional, 국제공인프로젝트관리전문가) 자격 취득 후, 서울대 기초교육원에서 프로젝트 관련 기록물 관리 업무를 맡았으며 현재는 국립과천과학관 전통과학 분야 전시기획 및 과학기술사료관 업무를 담당하고 있다.

발행일  2010.10.30