왜, 건물은 지진에 무너지지 않을까

개정판 서문
옮긴이의 글: 새로운 시각으로 건물들을 보게 하는 책

1. 동굴에서 초고층 빌딩까지
2. 텐트 만들기
3. 보란 무엇인가?
4. 무엇으로 구조물을 만들까?
5. 건물의 바닥
6. 종이로 강철골조 만들어 보기
7. 건물의 토대
8. 토네이도, 지진, 기온의 변화가 건물에 주는 영향
9. 토네이도와 지진에 대처하기
10. 로프와 케이블
11. 막대와 돌멩이
12. 끈과 막대
13. 형태와 강도
14. 원통, 접시, 나비, 자전거 바퀴 그리고 달걀
15. 다시 텐트로 돌아가기

이제 시리얼 상자를 좁고 짧은 면을 아래로 가게 하여 사포 위에 놓고 선풍기를 켜 보자. 상자가 뒤로 미끄러지지는 않지만 바람이 더 강해지면 상자의 위쪽이 돌아가면서, 상자가 쓰러질 것이다(그림 8.5). 만약 상자 안에 모래나 돌멩이를 충분히 넣고 나서 똑같은 실험을 반복해 보면 바람이 아무리 세게 불더라도 상자가 돌거나 넘어지지 않는다는 것을 알 수 있다. 이때 상자는 수평적으로도 회전적으로도 평형상태에 있는 것이다.

회전평형을 이해하려면 시소의 작동 원리를 생각하면 된다. 몸무게가 거의 같은 두 어린이가 시소의 양끝에 앉는다면 시소는 어느 쪽에서도 움직이지 않는다. 이때 시소는 회전 평형상태에 있는 것이다. 그러나 한쪽에는 어린이가, 반대쪽에는 아버지가 탄다면 아버지 쪽이 훨씬 무거워진다. 시소가 한쪽으로 기울어지지 않게 하려면 아버지가 시소의 중심, 즉 선회축에 더 가까이 앉아야만 한다.

지진효과를 주려면 상자 밑에 있는 사포를 테이블 위에서 앞뒤로 흔들어 보자. 상자는 안이 비어 있을 때 쉽게 넘어진다. 상자가 무겁다면 사포를 더 심하게 흔들어야 하는데, 무거운 상자라도 결국 넘어지고 만다. 이 실험은 심한 지진이 강풍과 같은 작용을 한다는 것을 보여준다. 사실 지진과 토네이도 둘 다 건물을 붕괴시키거나 넘어뜨릴 수 있다.
(08. ‘토네이도, 지진, 기온의 변화가 건물에 주는 영향’ 중 일부 발췌)

강한 바람이 건물에 어떤 영향을 주는지 알아보자. 빈 시리얼 상자 하나와 사포 한 장, 모래 약간과 돌멩이 몇 개, 그리고 선풍기나 헤어드라이어를 준비한다.
축축한 진흙처럼 미끄러운 토양 위에 세워진 낮은 건물을 대신하는 모형을 만들기 위해 시리얼 상자의 길고 좁은 면을 아래로 가게 하여 매끄러운 탁자 위에 세운다. 선풍기를 틀어 상자의 넓은 면으로 바람이 불도록 한다. 바람이 아주 세다면 시리얼 상자는 건물이 젖은 진흙 위에서 미끄러지듯이 탁자
위에서 뒤로 밀려날 것이다. 이때 건물은 수평적으로 평형상태에 있지 않다고 할 수 있다. 그러한 수평적 움직임을 막기 위해 건물은 땅속 더 깊이 자리해야만 한다.
그래야 지반이 건물의 토대와 수평적 반작용할 수 있기 때문이다. 만약 깊은 토대를 만들 수 없다면 흙에서 물을 인공적으로 빼 주어야 한다. 진흙이 건조해지면 미끄럽지 않기 때문이다.

마른 진흙 토양의 작용을 실험해 보자. 사포를 시리얼 상자 밑에 깔고 선풍기를 작동시켜 보자. 사포의 거친 면이 상자와 탁자 사이에서 마찰을 일으켜 상자가 미끄러지는 것을 막아 줄 것이다. 진흙이 건조하면 건물의 미끄러짐을 막아 주는 것과 같은 현상이다. 마찰로 생기는 힘이 바람의 힘에 대항하여 반작용하며, 이 두 힘이 서로의 힘을 무력하게 만들어 버리는 것이다. 이때 상자와 건물은 수평적 평형상태에 있다고 할 수 있다.

평형의 법칙은 약 300년 전에 아이작 뉴턴이 발견했다. 평형의 법칙은 쉽게 말해 건물에 작용하는 힘마다 저항하는 똑같은 힘이 있어야 한다는 것이다.
만약 오른손으로 책을 왼쪽으로 밀면 책은 왼쪽으로 움직일 것이다. 그러나 동시에 왼손으로 책을 오른쪽으로도 밀면 반대의 힘이 서로의 힘을 무효로 만들어 책은 어느 쪽으로도 움직이지 않게 된다. 이때 책은 평형상태에 있는 것이다.