이웃집과학자

우리 주변에는 다양한 종류의 터널이 있습니다. 흔히 볼 수 있는 차량과 인원수송이 목적인 도로터널 외에 수로터널, 철도터널, 광산터널, 해저터널 등 많은 터널이 있습니다. 그런데 광석을 캐기 위한 규모가 작은 광산터널이나 짧은 길이의 터널을 제외하고는 우리 주변의 대부분 터널은 아치형인데요. 왜 네모난 터널은 드문 것일까요?

터널은 본래 이집트의 주거 형태 가운데 하나였다고 합니다. 그러던 것이 피라미드가 지어지면서 통로의 목적으로 사용되기 시작했습니다. 터널은 이후 17세기 중반까지 채석장과 광산, 수로 등으로 범위가 넓어집니다. 17세기 후반에는 화약으로 구멍을 뚫는 운하터널이 만들어지기 시작합니다. 터널의 시공법은 18세기에 철도의 보급과 다이너마이트의 개발에 힘입어 더욱 발전합니다.

터널의 설계와 시공은 위치의 적합성, 효율성, 환경성 등 여러 측면이 고려됩니다. 하지만 역시 가장 중요한 것은 안정성이죠. 이 안전성의 제일 중요하면서도 기초적인 부분이 터널의 형태입니다. 

터널이 아치형인 이유는 바로 아치형태가 가장 안전하기 때문인데요. 아치형태는 그 안정성 때문에 건축 양식에도 사용되기도 하죠. 특히 터널 지붕은 산이나 언덕 등을 떠받치고 있어 직접적으로 힘을 받게 됩니다. 이때 터널 지붕에 조금이라도 각진 부분이 있다면 해당 부분에 힘을 받는 부분이 커져 지붕이 받는 하중도 커지게 됩니다.

만약 터널의 형태가 정사각형이나 정육각형 등이라면 일부분에 가해지는 충격을 분배하지 못하고 찌그러지게 되는데요. 이렇게 되면 균형을 잃은 곳에 힘이 쏠리면서 무너지게 되고 그 결과 터널 전체가 붕괴되는 것이죠. 반면 아치형의 터널지붕은 어느 방향으로 힘이나 충격이 전달돼도 물체 전체로 골고루 분배돼 힘의 평형이 유지되는 특성이 있습니다. 

한편 터널을 지나다보면 터널 안의 불빛이 노란색인 것을 보게 되는데요. 우리가 보는 노란색의 불빛은 나트륨전등입니다. 나트륨 기체는 방전해 노란 불빛을 방출하는데요. 

노란색인 나트륨등은 빨간색보다 파장은 짧지만 전파가 더 잘 됩니다. 또 빛 투과율이 높아 안개와 배기가스를 뚫고도 퍼질 수 있어 어두운 터널 안에서 시야를 확보하는 데 더 유리해서 터널 내부는 나트륨등으로 시공한다고 합니다.

##참고자료##

•   김형자, <구멍에서 발견한 과학>, 서울:갤리온, 2007.