계영배_가득 차지 않는 잔(사이펀 원리)

계영배_가득 차지 않는 잔
(사이펀 원리)

『 계영배의 유래  』

‘가득 참을 경계하는 잔’

 
중국에서의 유래
고대 중국에서 과한 욕심을 경계하기 위한 목적으로 하늘에 제를 지내 비밀리에 만들어진 의기(儀器)에서 유래한 것이라고 합니다.
자료에 의하면 공자가 노나라 환공의 사당을 찾았을 때 생전의 환공이 늘 곁에 두고 보면서 스스로 과욕을 경계하기 위해 사용했던 의기를 보았다고 합니다. 이 의기의 밑에는 구멍이 분명히 뚫려 있는데도 불구하고 물이나 술을 어느 정도 부어도 전혀 새지 않았다가 7할 이상 채우게 되면 밑 구명으로 새어나가게 되어 있었다고 합니다.
환공은 이를 늘 곁에 두고 보는 그릇이라 하여 '유좌지기'(宥坐之器)라고 불렀고 공자도 이를 본받아 항상 곁에 두고 스스로를 가다듬으며 과욕과 지나침을 경계했다고 합니다.
 
우리나라에서의 유래
조선후기 실학자이자 과학자인 하백원이 술을 가득 채우면 새어나가는 잔을 만들었다고 전해지며, 비슷한 시기 도공 우명옥이 계영배를 만들었다고 강원도 홍천지방의 전설로 내려오고 있습니다. 우명옥은 당시 설백자 기를 만들어 명성을 얻은 인물로, 후에 자신의 방탕한 삶을 뉘우치면서 계영배를 만들었다고 하며 이 잔은 후에 조선 후기의 거상 임상옥에게 전해지며 그는 이 잔을 늘 곁에 두고 인간의 과욕을 경계하면서 조선 역사상 전무후무한 거상으로 거듭났다고 합니다.
 

 

백자귀룡 계영배(위 왼쪽), 청자죽 계영배(위 오른쪽)
계영배 단면도
술을 70% 이상 부으면 모두 밑으로 새어버림
 

『 계영배의 원리  』

계영배(戒盈杯)는 '가득 참을 경계하는 잔'이라는 뜻으로  잔에 액체를 담고 일정 높이 이상 액체가 담기면 잔 바닥으로 액체가 빠져나가게 됩니다.
계영배는 겉으로 보기에는 보통 잔처럼 생겼지만 계영배의 중심에는 기둥이 하나 서있습니다.
계영배의 단면을 살표 보면 중심기둥 안에는 사이펀과 유사한 구조의 기둥이 있습니다.
양쪽의 길이가 다른 U자 형태의 관중 하나는 바닥과 연결이 되어있고 다른 한쪽은 잔 안의 기둥 아래에 연결이 되어 있습니다.
이러한 구조의 계영배에 기둥보다 높게 물을 채우면 사이펀 효과로 인해 물이 모두 빠져나가게 됩니다.
계영배의 원리 속에 담겨있는 사이펀의 원리에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 
지구의 대기가 누르는 힘을
'대기압력'이라고 합니다.
대기압력을 줄여서 '대기압'이라고 부릅니다.
 

 
 
대기압은 지구표면의 대기에 의해 가해지는 힘입니다.
해수면에 비해 지표면의 높이가 높을수록 기압이 낮아집니다.
대기압은 일반적으로 밀리바 단위로 측정되며, 해수면에서의 기준값은 1013mmHg 또는 760mmHg입니다.
대기압은 수은 기압계를 측정하여 사용할 수 있으며, 이를 통해 고도에 따라 대기압이 변화하는 것을 확인할 수 있습니다.
 

대기압의 대표적인 실험은 토리첼리의 실험이 있습니다.

『 토리첼리의 실험  』

대기압을 측정하는 실험 중에서 가장 유명한 것은 토리첼리의 실험입니다.
이 실험은 바로누이 토리첼리가 대기압을 증명하기 위해 진행했습니다.
토리첼리는 이 실험을 통해 공기가 무게를 가지면 압력을 생성한다는 사실을 입증했습니다.
 
토리첼리의 실험 과정은 다음과 같습니다.
 

1. 먼저 한쪽이 막힌 길고 두꺼운 유리관에 수은을 가득 채운 다음, 한쪽을 손가락으로 막아 수은이 담긴 그릇에 세웠습니다.
2. 손가락을 떼었을 때 유리관 속의 수은이 서서히 내려가기 시작했습니다.
3. 수은이 76 cm 지점까지 내려가면 더 이상 내려가지 않게 되며, 관을 흔들거나 기울여도 76 cm라는 값은 변하지 않았습니다.

토리첼리의 실험은 현대 기압계측법의 기초가 되었으며, 기상예측, 비행기의 고도측정, 기후 과학 등 다양한 분야에 활용이 되고 있습니다.

 
1 기압 = 물기둥을 10.3m까지 끌어올리는 압력
1 기압  = 수은기둥을 76cm까지 끌어올리는 압력
 

 
『  눈으로 보이지도 않는 대기압의 영향 』

 
인체의 반응을 통해서 압력의 차이를 느끼게 됩니다.
 
하나. 비행기
비행기가 이륙할 때나 높이 올라갈 때 외부의 낮은 압력에서 비행기 안의 높은 압력을 빼앗아 갈 때 몸속의 압력과 기내의 압력에 차이가 발생하게 됩니다. 이때 고막에 영향을 끼쳐서 귀가 먹먹해지는 현상이 발생하게 됩니다.
 
둘. 높은 산
높은 산에 올라갈수록 공기의 양도 적어지고 기압도 감소합니다. 이 기압의 차이로 귀가 먹먹해지게 됩니다.
산의 높이가 5,000미터를 넘게 되면 산의 입구와 정상 사이에 대기압 차이가 크기 때문에 사람에 따란 서는 현기증을 느끼거나 구토, 멀미증세, 식욕감퇴등 다양한 증세를 보이기도 합니다. 
 

『 사이펀의 원리  』

사이펀은 U자 모양으로 굽은 관으로, 기압차와 중력의 차이를 이용해 액체를 옮기는 관입니다.
사이펀의 관은 한쪽은 길고 다른 한쪽은 짧은 모양을 하고 있습니다.
높은 곳에 올려놓은 A수조의 액체 표면에 대기압이 작용하여 누름으로써 짧은 관 속에 있는 액체를 위로 끌어올리게 됩니다. 그러면 액체는 관 꼭대기에서 밀려 중력 때문에 낮은 B 쪽의 수조 떨어지게 됩니다.
이것은 높은 곳의 수면에 작용하는 대기압으로 인해 액체가 밀어 올려지는 원리를 이용한 것입니다.

출처:NAVER

 

 

[ 사이펀의 원리가 적용된 예_ 변기, 싱크대등]

물을 내리면 물탱크의 마개가 열리고 변기 안에 한꺼번에 많은 물이 들어가게 됩니다.
그 물의 압력으로 사이펀이 완전히 물로 채워지면 사이펀 내부의 대기압이 사라지고 변기의 물과 배설물이 함께 하수구로 빠져나가게 됩니다. 물이 모두 빠져나간 후 변기에 서서히 물이 채워지면 물의 압력이 사이펀을 가득 채울 만큼 충분하지 않기 때문에 변기에 물이 남게 됩니다.
사이펀에 남겨진 물을 하수구로부터 악취나 이물질이 올라오는 것을 막아줍니다.
세면대의 싱크대의 배수파이프도 같은 원리입니다.