혹시 미국의 판타지 소설 <오즈의 마법사>를 알고 있나요? 주인공 도로시가 마법의 대륙에서 집으로 돌아가기 위해 허수아비, 양철 나무꾼, 사자와 함께 모험을 떠나는 이야기입니다. 그런데 양철 나무꾼에게는 아주 신기한 비밀이 하나 있어요. 바로 낮과 밤의 키가 다르다는 것입니다! 동화 같은 이야기처럼 들리지만, 사실 그 속에는 과학적인 원리가 숨어 있답니다. 이 비밀을 함께 풀어볼까요? 철도 위를 달리는 기차나 지하철은 종종 덜컹거리는 소리를 냅니다. 왜 부드럽게 달릴 수는 없는 걸까요? 대부분의 물질은 온도가 높아지면 부피가 늘어나는 성질을 가지고 있습니다. 이를 열팽창이라고 하는데, 금속에서는 특히 이 현상이 두드러집니다. 철도는 금속으로 만들어졌기 때문에, 온도가 높아질 때 팽창하고 낮아질 때 수축합니다. 한여름의 뜨거운 햇빛에 철도가 노출되면 온도가 올라가면서 금속이 팽창합니다. 철도는 길게 이어진 금속 구조물이어서, 이러한 팽창이 과도해지면 철로가 서로 밀려나 어긋나거나 뒤틀리는 문제가 발생할 수 있습니다. 이는 기차가 탈선할 위험을 초래할 수 있어 매우 위험합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 철도에는 이음매나 팽창 이음장치를 설치합니다. 이 장치들은 철도가 열팽창으로 길이가 변하더라도 어긋나거나 뒤틀리지 않도록 충분한 공간을 마련해 두어, 안전하게 유지될 수 있도록 돕습니다. 이렇게 함으로써 기차와 지하철이 부드럽게 달릴 수 있는 것입니다. 또한 철근과 콘크리트를 사용해 만든 건물들도 마찬가지입니다. 아주 단단한 건축물이라 해도 철근과 콘크리트는 온도에 따라 팽창하고 수축하는 성질을 가지고 있습니다. 다행히도 철근과 콘크리트의 열팽창률이 거의 같아서, 온도가 변할 때 함께 움직이며 구조적 안전을 유지할 수 있습니다. 만약 이 둘의 팽창률이 달랐다면 건물에 금이 가거나 무너질 위험이 있었을 것입니다. 이처럼 열팽창을 고려해 설계된 덕분에, 우리는 안심하고 높은 건물 안에서 생활할 수 있습니다. 우리 주변에서 열팽창 현상을 쉽게 볼 수 있는 또 다른 예로는 병뚜껑이 있습니다. 병뚜껑이 잘 열리지 않을 때 따뜻한 물에 잠깐 담가 보세요. 그러면 금속 뚜껑이 팽창하여 쉽게 열립니다. 또 겨울철에 자동차 문이 잘 안 열릴 때도 마찬가지로 뜨거운 물을 부어 금속 부품을 팽창시켜 열 수 있습니다. 이렇게 금속은 온도에 따라 크기가 변하는 성질이 있기 때문에, 일상생활에서도 여러 가지 방법으로 활용할 수 있습니다. 흥미로운 점은 모든 물질이 열을 받을 때 팽창하는 것은 아니라는 것입니다. 일부 물질은 오히려 온도가 높아질 때 수축하기도 합니다. 대표적인 예가 물입니다. 0°C 이하의 얼음이 물로 변하면서 부피가 오히려 줄어듭니다. 또한 얇은 종이 같은 2차원 물질에서도 열 수축 성질을 보이기도 합니다. 하지만 대부분의 금속은 열을 받으면 팽창하고, 온도가 내려가면 수축하는 성질을 가집니다. 양철 나무꾼도 이러한 금속의 성질에 따라 낮에는 키가 커지고, 밤에는 줄어드는 것입니다. 한여름에 자동차를 주차해 두면 차량 내부가 얼마나 뜨거워지는지 경험해 보셨을 것입니다. 이때 자동차 금속 부품들도 팽창합니다. 그래서 여름철에는 창문을 조금 열어 공기를 순환시키는 것이 좋습니다. 이렇듯 금속의 열팽창은 우리 생활 곳곳에서 영향을 미치고 있습니다. <오즈의 마법사>에 등장하는 양철 나무꾼의 키가 낮과 밤에 다르다는 설정은 전혀 말도 안 되는 이야기가 아닙니다. 실제로 금속은 온도에 따라 팽창하고 수축하는 특성을 가지기 때문에, 이러한 이야기에 과학적 근거가 있다고 볼 수 있습니다. 이제 날씨가 덥거나 추워질 때 양철로 만든 물건들을 한 번 관찰해 보세요. 그들도 양철 나무꾼처럼 조금씩 변화하고 있을지 모릅니다. 과학은 이렇게 우리 주변을 새롭게 바라볼 수 있는 열쇠가 되어줍니다. 열팽창을 이해하게 되면 우리 주변의 평범한 물건들도 신기하고 흥미롭게 느껴질 것입니다. 과학의 눈으로 세상을 바라보면 늘 보던 것도 새롭게 보입니다.