모래에 미리 물을 뿌리면 끌어내는 데 필요한 힘이 절반으로 줄어듭니다. 고대 이집트인들은 바로 이 요령을 활용해 피라미드용 거석을 운반했습니다. 네덜란드 FOM 재단과 암스테르담 대학교(University of Amsterdam)의 물리학자들이 이 사실을 밝혀냈습니다.
고대 이집트인들은 피라미드와 같은 웅장한 건축물을 세우기 위해 거대한 석재를 사막을 가로질러 운반해야 했습니다. 수천 년 전 노동자들이 대체 어떤 방식으로 이 일을 해냈는지 연구자들은 오랫동안 궁금해해 왔습니다.
"이집트인들은 먼저 사막의 모래를 젖힌 뒤, 그 위에 큰 돌을 실은 썰매를 끌었습니다. 우리 실험 결과, 이때 필요한 견인력이 절반으로 줄어드는 것으로 나타났습니다"라고 암스테르담 대학교의 다니엘 본(Daniel Bonn) 물리학 교수가 설명했습니다.
그는 기원전 1800년경으로 추정되는 벽화를 근거로 제시합니다. 이집트 총독 제후티호테프(Djehutihotep)의 무덤 벽화에는 거대 석상을 실은 썰매 앞에서 누군가 모래에 물을 붓는 장면이 담겨 있습니다. 본 교수는 "고대 이집트인들은 이런 유용한 요령들을 이미 알고 있었다. 작업량을 크게 줄일 수 있었기 때문이다"라고 말했습니다.
입자 크기도 운반의 열쇠
연구진은 실험실에서 축소 실험을 진행했습니다. 서로 다른 무게의 짐을 실은 썰매를 모래 위에서 끌면서 현상을 관찰한 끝에 이번 발견에 도달했습니다. 본 교수는 "썰매는 입자 크기가 균일한 모래 위에서 오히려 움직이기 더 어려웠다. 반면 입자 크기가 제각각인 모래에서는 훨씬 수월했다. 이집트에는 바로 그런 종류의 모래가 있어서 노동자들에게 유리하게 작용했다"라고 밝혔습니다.
그렇다면 모래가 젖으면 왜 필요한 견인력이 줄어들까요? 물이 더해지면 소위 '모세관 다리(capillary bridge)'라 불리는 구조가 형성되기 때문입니다. 본 교수는 "아주 작은 물의 다리들이 모래 알갱이들을 서로 붙게 하고 단단하게 만든다. 마른 모래나 진흙에는 이런 구조가 없다"라고 설명했습니다.
본 교수는 고대 이집트 연구가 오늘날에도 여러 분야에 시사점을 줄 수 있다고 강조합니다. 모래, 아스팔트, 콘크리트, 석탄처럼 입상 물질(granular matter)을 다룰 때가 대표적입니다. 그는 "이런 물질의 운송은 전 세계 에너지 소비의 10%를 차지한다"라고 지적했습니다.
현대 대형 공사에도 응용
본 교수는 암스테르담 북남선(North-South Line) 지하철 공사를 예로 들었습니다. 이 공사에서도 입상 물질이 터널 안으로 들여지고(시멘트), 밖으로 배출되었습니다(진흙).
"우리는 모래가 파이프를 통과하는 방식을 정확히 연구했습니다. 그 결과 약간 젖은 모래를 배출하는 데 더 적은 에너지가 드는 것으로 나타났습니다. 젖으면 단단해지니 의외라고 느껴질 수 있습니다. 하지만 바로 그렇기 때문에 관 속에서 운반하기가 더 쉽고, 에너지를 절반 가까이 아낄 수 있는 것입니다."
후속 연구에서 본 교수는 마찰, 즉 두 부분이 서로 스칠 때 발생하는 저항을 더 구체적으로 파고들 계획입니다. 그는 "우리는 아직 마찰을 제대로 이해하지 못하고 있다. 그런데 마찰은 에너지 소비의 30%를 차지한다. 고대 이집트인에 대한 연구를 통해 우리는 가장 부드러운 물질이 마찰력을 결정하고 마찰 면적을 넓힌다고 보고 있다. 만약 그렇다면 작동 원리를 더 깊이 이해할 뿐 아니라, 다른 물체와 접촉하는 제품도 더 잘 설계할 수 있다. 논스틱 프라이팬이나 더 강한 자동차 타이어가 좋은 예가 될 것이다"라고 덧붙였습니다.
