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[창의력 키우기] 과학 창의력

'헬로∼공부야'는 영재교육 전문기관 와이즈만의 도움으로 과학 창의력과 수학 사고력을 키워줄 수 있는 예시문항을 매주 번갈아가며 게재합니다. 이번 주에는 새로운 훌라후프의 개발, 토카막 장치의 원리 등의 주제를 다룹니다.

【초등】

믿기 어렵겠지만 훌라후프는 한때 최고의 놀이기구였답니다. 이 놀이기구가 19일로 탄생 50주년이 됐다고 하니 그 역사가 참 대단합니다. 훌라후프는 1948년 호주의 한 기업가인 웸오가 운동 기구로 쓰이던 대나무 고리를 바탕으로 처음 고안했어요. 그리고 이 장난감은 출시되자마자 엄청난 인기를 끌었지요. 하지만 금세 인기가 시들해졌고 훌라후프 회사는 거의 망할 위기에 처했죠. 그때 웸오는 다시 훌라후프 안에 쇠구슬을 넣어 독특한 소리를 나게 해 훌라후프에 대한 관심을 되살아나게 했고 위기를 극복할 수 있었다고 합니다. 웸오는 장난감은 단순할수록 좋다고 말했어요. 그리고 그 장난감을 어떻게 재미있게 갖고 놀지 항상 생각했다고 합니다.

<문제>

여러분이 웸오와 같은 위기에서 훌라후프를 새롭게 고안한다면 어떻게 만들 수 있을지 생각해 보세요. 그리고 새로 개발된 훌라후프의 놀이 방법을 최대한 많이 적어 보세요.

<해설>

장난감으로 개발된 훌라후프의 훌라는 하와이의 훌라춤을, 후프는 테두리를 의미한다고 합니다. 훌라후프는 50년이라는 역사를 자랑하지만, 실제 역사는 훨씬 더 오래됐다고 합니다. 고대 그리스에서는 훌라후프 같은 원통형 고리를 운동기구로 사용했고, 기원전 이집트에서도 포도나무 가지로 고리를 만들어 이를 막대에 끼워 돌렸다네요. 지금은 훌라후프를 돌리며 운동장을 뛰기도 하고 줄넘기 대신 훌라후프를 넘기도 하지요. 훌라후프를 이용한 운동은 장점이 많아서 사람들에게 끊임없는 사랑을 받고 있답니다. 운동의 효과를 높여주기 위한 새로운 훌라후프도 계속 개발되고 있고요.

새로운 훌라후프에 대해 재미있는 아이디어와 다양한 놀이방법을 많이 생각했나요? 운동용 기계 훌라후프, 휴식용 훌라후프, 부분별 다이어트 훌라후프 등을 고안할 수 있을 겁니다. 훌라후프가 운동뿐만 아니라 휴식에도 사용할 수 있고 허리 외에도 다른 신체 부분에 돌릴 수 있다는 생각을 하면 더 쉬울 것입니다. 또한 상품의 특징을 차근차근 정교하게 설명하고, 상품의 설계 방법을 제시하면 더 좋겠습니다.

【중등】

2008년 7월 15일 차세대 초전도 핵융합 연구장치인 'KSTAR'에서 최초로 플라즈마 발생실험이 성공했다는 뉴스가 발표됐습니다. 이 장치는 세계 최초로 핵융합 발전을 하게 될 국제핵융합실험로(ITER)과 같은 설계로 세계 최초로 운전에 성공한 것입니다. 핵융합은 태양과 같은 별에서 일어나는 반응으로 가벼운 수소 원자 4개가 모여서 헬륨 원자를 만들면서 질량이 에너지로 전환되어서 강력한 에너지를 얻을 수 있는 방법입니다. 이를 위해서는 1억℃ 이상의 높은 온도가 필요합니다. 이번에 발표된 실험에서는 249밀리초 동안 온도 200만℃를 달성했다고 합니다. 이는 최초 목표였던 지속시간 100밀리초를 뛰어넘은 것으로 상용화를 위한 장기간 운전기술인 3억℃, 300초를 확보하기 위해 계속 실험을 진행하게 됩니다.

<문제>

그런데 지구상의 대부분의 물질은 수천℃ 정도의 온도에 이르게 되면 타거나 액체, 또는 기체로 변화하게 됩니다. 수백만℃에서 수억℃에 이르는 온도를 어떻게 유지할 수 있는 것일까요?

<해답>

앞에서 소개한 KSTAR와 같은 장치를 통칭해 토카막(TOKAMAK) 장치라고 합니다. 이는 초고온을 만들기 위해 주변과 고온의 물질을 분리시킬 수 있는 방법입니다. 고온에서 물질이 이온상태로 변환된 상태를 플라즈마라고 부르는데 이 플라즈마는 전기적인 성질을 가집니다. 이를 가두기 위해서는 자기력선을 이용해서 자기력선의 고리를 만들어 플라즈마를 가둔 후 플라즈마가 외부로 나가지 못하게 해야 합니다. 1940년대 이후로 여러 가지 장치가 제안됐지만 기술력의 한계와 플라즈마에 대한 이해 부족으로 모든 문제를 해결하기는 어려웠습니다. 1968년에 구소련에서 강력한 자석으로 외부 자기장을 형성시키고 플라즈마 내부에 전류를 흘려서 만들어지는 자기장을 합성시켜서 플라즈마를 효과적으로 가둘 수 있는 장치를 만들었습니다. 이것이 토카막 장치입니다. 자기장 내부에 갇힌 플라즈마는 외부와 접촉하지 못하기 때문에 그 온도를 더 높일 수 있습니다. 이밖에도 장치 내부에서 플라즈마에 불순물이 혼합되는 것을 막기 위해 높은 고진공 상태를 만드는 기술과 초전도 자석을 사용하는 방법 등 다양한 기술이 핵융합 성공을 위해서 연구되고 있습니다.

/ 입력시간: 2008. 08.05. 08:44