효율적 힘의 분산으로 몸무게 지탱하려

여행 삼아 다녀온 스페인에서 건물, 길, 다리, 수로 등 로마의 흔적이 남겨진 건축물을 자연스럽게 보게 됐다.

역사는 변했지만 로마 건축의 기본적 구성요소인 아치형의 아름다운 건축물의 흔적은 그대로였다. 그라나다에 있는 알함브라 궁전을 비롯해 종교적 색채가 묻어 있는 수도원, 대성당은 그 겉모습과 내부가 다양한 아치의 형태와 윤곽을 보여줘 예술작품을 보는 듯했다.

아치는 볼트, 돔과 같이 로마의 건축가들이 빈공간의 주위를 둘러싸는 형태로 거대한 부피의 실내 공간을 확보하고자 했던 건축공학 기술이다.

고딕 건축과 로마네스크 양식인 아치 형태들의 공통점은 개구부(開口部)를 연결하는 독창적인 방법에 있다. 두 기둥 사이를 지나는 하나의 석조 수평부재 대신에 아치는 작은 쐐기 모양 돌들을 곡선으로 개구부에 쌓아 올림으로써 더 먼 거리를 가로지를 수 있었다.

●아치 모양이 어떻게 힘을 효과적으로 견딜까?

사다리꼴 나무토막의 좁은 쪽을 아래로 한 후 서로 연결하여 만든 아치 구조물을 만들어 보면 아치 구조에 하중이 걸릴 때 중력 방향으로 가해진 힘과 아치 구조 자체의 무게는 두 방향으로 나누어진다. 이 힘은 다시 아치 구조물 사이를 밀어주는 접합력과 지지대를 향하는 지지력으로 작용하므로 아치구조는 안정적이 된다. 즉 힘의 분산이 효과적으로 일어나면서 안정적 구조를 이루는 것이다.

아치 모양의 구조물을 위에서 누르는 힘으로 부수려면 매우 큰 힘이 필요하며, 반대로 안에서는 비교적 쉽게 깰 수 있다. 따라서 아치 구조는 자체의 무게를 지탱하는 데에 비중을 두는 다리, 혹은 건물 입구에 많이 이용된다. 현대의 아치는 철근 콘크리트나 철강을 재료로 하여 아치형을 더욱 크고 멀리 만들고 있다.

●우리 주변에서 찾을 수 있는 아치는?

무게를 지탱해야 하는 부분에서 아치형의 구조를 찾아볼 수 있다. 서울의 동대문과 남대문을 비롯해 방화대교와 성산대교 등 한강다리에서도 볼 수 있는 아치형은 힘을 효율적으로 분산시키기 위해 만든 것이다. 다리 위로 수많은 자동차들이 지나가도 그 무게를 감당할 수 있는 있도록 해주는 것이다. 경주 불국사의 금문교 역시 아치형 다리로 아랫부분은 반원형을 이루고 있다. 또 경주의 석빙고도 전통적인 얼음저장고로 아치 구조의 빙실을 만들어 기둥을 없앰으로써 출입구를 통한 열손실을 막았다.

●발바닥은 왜 아치모양일까?

아치 모양은 사람의 발바닥 뼈, 갈비뼈, 파충류나 날달걀에서도 찾을 수 있다. 전체 무게를 지탱해야 하는 발바닥은 평면이기보다는 아치형으로 생겨야 몸의 전체 하중을 균형적으로 잘 분산해 견디기 쉽다.

박지성 선수나 이봉주 선수처럼 평발에 가까운 사람은 아치형의 발보다는 이런 역할을 하기 어렵기 때문에 걷는 것 자체가 아주 피곤하다. 평발은 그만큼 발이 바닥에 많이 닿기 때문에 몸무게의 분산이 효과적으로 일어나기 어렵다. 이런 신체적 핸디캡을 극복하면서 극적인 결과를 얻었기에 두 선수들에게 갈채를 보냄이 마땅하다.

우리 몸을 이루는 뼈 안쪽이 파이프처럼 구멍이 뚫어져 있는 것과 등뼈가 구부러져 있는 것 등도 우리 몸을 효과적으로 지탱해 주기 위한 것이다. 인체도 과학적인 구조물이라고 할 수 있다.

한은주 숭인중학교 교사