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공대생도 공대생 아닌 사람도 재미있게 읽는 공학 이야기

공학이란 끊임없이 세상과 사람을 돌아보며, 과학 원리를 실생활에 응용하는 학문이다. 그럼에도 어려운 전공서적에만 파묻혀 '널리 세상을 이롭게 한다'는 공학의 본질을 잊곤 하는 학생들의 모습이 안타까웠던 공대 교수님은 '이론+응용+재미'의 3박자를 갖춰 강의해왔다. 또한 우리 주위 모든 것이 공학임에도 불구하고 공학이 무엇인지 잘 모르고 관심도 없는 보통 사람들에게 공학의 매력을 알려주고 싶었다. 더불어 공학에 대해 제대로 이해하면 진로를 고민하는 청소년들에게도 훌륭한 안내 역할을 할 수 있을 거라고 생각해왔다. 그리하여 강의실에서의 내공과 평소의 바람을 『공대생도 잘 모르는 재미있는 공학 이야기』에 담았다. 이 책에 실린 50여 편은 모두 일상에서 접할 수 있는 현상으로부터 이야기를 가져와 공학을 소개한다. 이 책을 통해 독자들은 공학이란 무엇인지, 공학자의 역할은 무엇인지, 공학자의 생각이 어떻게 '세상'으로 구체화되는지 부담없이 이해할 수 있을 것이다.

30여 년간 대학에서 공대생들을 가르쳐온 공대 교수님이 소개하는 공학 이야기!!

취업률이 갑이라는 공학, 왜?
2016년 7월 이 땅의 ‘공대생’들에게 반가운 뉴스가 하나 보도됐다. 2015년 공학계열 취업률이 82.8퍼센트로 역대 최고, 모든 대학 전공계열 중 최고였다는 보도다(<대학 전공계열별 고용 현황과 추이>(김두순 전임연구원, 한국고용정보원) 인용). 아직 작년 통계는 나오지 않았지만, 꼭 통계를 보지 않더라도 최근 취업률에서 인문사회계열의 하락세와 더불어 이공계열의 상승세가 꾸준하다. 학문과 대학과 전공을 취업률로 재단하는 현재 우리 모습이 썩 반갑지는 않지만, 청년실업이 사상 최대를 갱신하고 있는 한국 사회에서 취업률이 중요하지 않다고는 아무도 말할 수 없을 것이다.
그렇다면 왜 공학이 이렇게 각광받고 있을까? 여러 이유가 있겠지만, 가장 중요한 이유는 인간 사회가 과학기술의 사회이기 때문이다. 지금 주변을 돌아보자. 과학기술력으로 태어나지 않은 것이 없다. 전기, 수도, 가스, 컴퓨터, 핸드폰, 집과 건물, 자동차, 도로... 너무 많아서 다 열거하기도 힘이 든다.
근대과학이 발달하기 시작한 200년 전에는 어땠나? 그때도 의식주, 도시건설, 이동, 전쟁 등에 어마어마한 과학기술력이 투입됐다. 그럼 그보다 훨씬 이전에는 또 어땠나? 인간을 호모 파베르(Homo faber)라고도 한다. ‘도구를 만들어 사용하는 인간’이라는 뜻이다. 인간은 기술을 만들고 사용하는 데 뛰어난 능력을 지녔다. 그리고 그 능력이 지금의 인류문명을 만들어낸 원동력이고 말이다.
공학계열 중에서도 각광받는 분야는 시대에 따라 달라져왔다. 건축붐이 일었을 때는 건축공학이 많은 사람들의 관심을 받고, 지금처럼 컴퓨터가 사회의 기반이 된 때에는 컴퓨터공학이 큰 관심을 받는다. 그밖에도 사회를 만드는 가장 기본적인 전기, 화학, 기계, 재료, 생명 등 공학에는 다양한 분야가 있고, 각 분야도 여러 분야로 세분되어 있다. 미래에 어떤 산업이 성장동력이 될 것인가에 따라 새로이 각광받는 공학분야가 생겨나기도 한다.
그런데 가장 기본적인 질문이 빠진 것 같다. 공학이 도대체 뭐지?

“과학은 탐구하고 공학은 창조한다”
공학(engineering)이란 단어를 사전에서 찾아보면 ‘공업분야의 노동생산력과 생산품 성능을 향상하고 발전시키기 위해서 활용되는 응용과학기술을 연구하는 학문’이라고 설명하고 있다. 좀 와닿지 않는다.
공학을 아주 간단히 설명하자면, 과학을 실생활에 쓸모 있게 응용한 응용과학이다.
많은 사람들이, 심지어 공대생들조차 과학과 공학이 어떤 차이인지 구분하지 못할 때가 있는다. 그런데 미국 제트추진연구소(JPL)의 초대소장을 지냈던 유체공학자 시어도어 폰 카르만 박사는 공학이 무엇인지와 더불어 과학과 공학이 어떻게 다른지 한마디로 설명했다.

“과학자는 현존하는 것을 탐구하고, 공학자는 존재하지 않는 것을 창조한다.”

수학과 물리학, 화학, 생물학과 같은 기초과학이 자연현상에 대한 지적호기심에서 출발해 사물의 본질을 탐구하는 학문이라면, 공학은 이러한 기초과학을 실제 필요에 따라 무언가를 만들어내기 위해 응용하는 학문이다.
게다가 똑같은 과학적 원리를 이용한다 하더라도 정답이 하나만 있는 것이 아니라 만드는 사람에 따라, 쓰는 사람에 따라, 사회문화적 배경에 따라 다양하게 기술적 조합을 이뤄낼 수 있기 때문에 다양성이 풍부하고 높은 창조성이 요구되는 점이 공학의 큰 매력이다.

공대 교수님의 재미있는 공학이야기
《공대생도 잘 모르는 재미있는 공학이야기》는 국민대학교 기계공학부에서 30여 년간 ‘공대생’들을 가르쳐온 ‘공대 교수님’이 공대생과 청소년, 공학에 대해 잘 모르는 일반인들에게 공학을 재미있게 소개하기 위해 쓴 책이다.
이 책은 4개 부, 54개 장으로 구성되어 있으며, 모두 일상에서 가져온 이야기를 통해 과학적 원리와 공학이론을 소개한다. 어렵고 딱딱한 이론이나 수식이 아니라 우리 주변에서 흔히 만날 수 있는 상황이나 현상을 통해 공학을 이야기하기 때문에 공학의 기본과 본분, 공학자의 역할과 자세에 대해서 많은 사람들에게 공감을 얻을 수 있을 것이다.
1부 살피고 재고 맛보고에서는 주로 관찰과 측정, 단위에 대해서 이야기한다. 공학은 머릿속에서 탐구하고 진리를 찾는 것을 넘어 실생활에서 사용돼야 하기 때문에 실제를 관찰하고, 제대로 측정하고, 현실적으로 정확하게 단위를 맞추는 작업이 아주 중요하다. 1부에서는 중국 초나라 공왕의 이야기, 일거수일투족이 기록되는 현대사회, 나이 들어감에 따라 시간이 빨리 간다는 느낌, 코끼리 무게 재는 법, 몰래카메라 등의 소재를 통해 공학을 소개한다.
2부 수와 식으로 그린 자연에서는 이 책에서 수식이 가장 많이 나온다. 너무 부담 갖지 않아도 된다. 이해하기 힘든 수식은 거의 나오지 않으니까. 공학 역시 여느 과학과 다를 바 없이 수식으로 자연을 표현한다. 공학자의 머릿속에 가득한 수식은 어떻게 세상과 만나는 걸까? 2부에서는 아이들이 수를 배우는 과정을 통해 허수 i를 소개하고, 공평함을 강조하는 옛날 한 고을원님의 이야기를 통해 다양한 평균을 설명하고, 같음과 다름의 여러 측면을 통해 ‘=’에 대해 이야기한다.
3부 자연의 법칙이 생활 속으로에서는 주로 열과 에너지에 관한 내용이 소개된다. 유학 시절 칠면조를 맛있게 굽기 위해 열전달 이론을 동원한 이야기, 찜질방 안에서 우리가 열사병이 걸리지 않는 이유, 휴가기간 동안 온갖 게으름을 피우며 우주의 ‘열적 죽음’을 조금이나마 늦춘 이야기 등을 소개한다.
4부 공학자의 생각은 공학자의 세상이야기다. 결국 사람과 사회 속에 존재해야 그 의미를 가지는 것이 공학임을 보여준다. 아무리 실험여건이 좋아지고 실험장치가 발전했어도 사고실험을 꼭 하면 좋겠고, 물건을 망가뜨리지 않도록 설계하는 풀 프루프 설계라는 재미있는 분야도 소개하고, 잘된 엔지니어링이 좋은 사회를 만든다는 저자의 신념도 이야기해준다.
책 속 여러 이야기들을 읽으며 부담없이 페이지를 넘기다 보면 공학이 무엇인지, 우리에게 어떤 의미인지, 공학자는 어떤 사람인지, 어떤 책임을 안고 있는지 느끼게 될 것이다.

공대생도 잘 모르는…
이 책의 제목은 《공대생도 잘 모르는 재미있는 공학이야기》다.
‘공대생도 잘 모르는 공학’이라니...? 이 말은 고도로 세분화된 여러 공학분야 사이의 벽을 의미하는 것이 아니다. 오히려 공학의 매우 기본적인 부분을 의미한다.
공학의 기본은 ‘쓸모를 궁리하고 만드는’ 것이다. 그러기 위해서는 있던 것을 탐구하는 것을 넘어 없던 것을 창조하고, 정답찾기를 넘어 수많은 정답을 만들어가고, 사람과 사회에 끊임없이 관심을 기울이며, 계속해서 삶에 응용해가는 자세가 필요하다.
무엇보다 엉뚱한 공상과 기발한 생각, 주변에 대한 민감성이 중요함에도 많은 공대생들이 전공서적에만 파묻혀 있다. 난해한 수식으로 표현된 공학이론 속을 헤매다 ‘세상을 널리 이롭게 한다’는 공학의 본분을 망각하기도 하는 우리 학생들의 모습이 늘 안타까웠던 저자는 학생들이 딱딱하고 어려운 공학을 조금이라도 재미있고 쉽고 유연하게 받아들일 수 있도록 ‘이론+응용+재미’의 3박자를 갖춰 강의해왔다.
아울러 우리 주위 모든 것들이 공학임에도 불구하고 공학이 무엇인지 잘 모르거나 관심을 갖지 않는 보통 어른들과 앞으로의 진로를 고민하는 청소년들에게 공학이 사실은 너무나 재미있고 매력적인 학문임을 보여주고 싶은 바람이 있었다.
그리하여 강의실에서의 내공과 평소의 바람을 담아 이 책 《공대생도 잘 모르는 재미있는 공학 이야기》를 쓰게 되었다.
여기 소개된 이야기 대부분은 대한설비공학회 《설비저널》에 연재된 내용을 정리한 것이다. 2007년 《공학으로 세상을 말한다》라는 제목으로 초판이 출간된 이래 과학기술부 우수과학도서(현 한국과학창의재단 우수과학도서)와 한국출판문화산업진흥원 청소년권장도서 등에 선정되고, 공과대학의 부교재나 대입논술 자료로 활동되기도 하는 등 많은 사랑을 받았다. 그리고 10년이 지난 지금 시대에 맞지 않는 내용들은 들어내고, 설명이 부족한 부분은 보완하여 개정판을 내게 되었다.
독자들은 《공대생도 잘 모르는 재미있는 공학 이야기》를 통해 기초지식을 탐구하는 순수과학과는 또 다른, 실생활의 응용과 창의성을 강조하는 공학적 사고와 부담 없이 접할 수 있을 것이다.

◎ 기관 추천 및 선정
★한국출판문화산업진흥원 청소년권장도서
★과학기술부 인증 우수과학도서(현 한국과학창의재단 우수과학도서)
★대한출판문화협회 ‘거실을 서재로’ 선정도서

머리말 과학은 탐구하고 공학은 창조한다

1부 살피고 재고 맛보고
1 검사체적 | 관심 범위는 어디까지?
2 라그랑주 | 물체의 움직임을 좇아서
3 상대운동 | 절대적인 것, 상대적인 것
4 시간좌표 | 한 번 가면 올 수 없는 것
5 시간과 공간 | 사이와 사이
6 한국 단위계 | 근·자·짬
7 표준 정하기 | 잰다는 것
8 차원해석 | 수식이 알려주는 것
9 무차원화 | 차원을 없애면…
10 무차원변수 | 무차원 인생의 길이
11 공학적 단위감각 | 코끼리 무게 재기
12 불확정성 원리 | 몰래카메라
13 도플러효과 | 교통경찰 따돌리기
14 푸리에급수 | 모든 신호를 처리하는 마법사
15 파동 | 생명의 바이브레이션
16 디지털 샘플링 | 세상을 보는 속도

2부 수와 식으로 그린 자연
1 오일러수 e | 안다는 것
2 허수 i | 세상의 모든 수
3 테일러급수 | 대충계산법
4 여러 가지 평균 | 모두 모두 공평하게
5 해석함수 토막 | 작은 곡선 속 세상
6 그래디언트 | 깜깜한 밤에 산꼭대기 찾아가기
7 포텐셜과 플럭스 | 산행 애니메이션
8 다이버전스와 컬 | 내보내고 회전하고
9 등식 | 같음과 다름
10 0과 1 | 음양사상
11 상관관계 | 바람과 나무통은 어떤 관계?
12 확률게임 | 로또 당첨
13 게임 최적화 | 축구경기를 더 재미있게

3부 자연의 법칙이 생활 속으로
1 열전달 | 칠면조 맛있게 요리하기
2 온도성층화 | 따뜻한 겨울 보내기
3 온열반응 | 찜질방 즐기기
4 복사냉각 | 사막에서 얼음 얼리기
5 공기조화 | 난방·냉방·환기
6 풍혈냉천 | 천연 냉장고
7 열물성 | LPG 차량 이해하기
8 에너지보존 | 폭포수 목욕탕
9 기계의 효율 | 다이어트의 진리
10 엔트로피 증가 | 생명을 유지하는 길
11 전기요금과 가스요금 | 에너지 노예 해방
12 연료전지 | 로봇의 하루 일과
13 유체흐름 | 교통체증
14 유체항력 1 | 곰보 골프공의 비밀
15 유체항력 2 | 안전한 빗방울

4부 공학자의 생각
1 사고실험 | 상상력 폭발
2 컴퓨터 사용기 1 | 청계천밸리의 파인애플-II
3 컴퓨터 사용기 2 | 매킨토시와 윈도우란 신세계
4 머피의 법칙 | 나만 재수가 없어…
5 풀 프루프 설계 | 바보를 피하는 법
6 컨설팅 | 우리의 몸값
7 역해석 문제 | 거꾸로 보기
8 리버스 엔지니어링 | 짝퉁과 벤치마킹 사이
9 발상의 전환 | 불량 테이프
10 기술문명 | 사회를 바꾸는 잘된 엔지니어링

찾아보기

미국 제트추진연구소(JPL)의 초대 소장인 유체공학자 시어도어 폰 카르만은 “과학은 탐구하고 공학은 창조한다”고 말했다. 기초과학이 자연현상에 대한 지적 호기심에서 출발해 사물의 본질을 탐구하는 것이라면, 공학은 실제 필요에 의해 존재하지 않는 무언가를 새로이 만들어내는 것이다. -5쪽

‘우리’라는 범위를 설정하는 것도 공학에서 검사체적을 설정하는 것과 크게 다르지 않다. 어디까지를 우리라고 생각할지는 그때그때의 필요와 관심 범위에 따라 달라진다. 나는 나 개인이면서 동시에 우리 학과의 일원이며 또 우리 대학의 일원이다. 그런가 하면 우리나라 국민의 한 사람이며 지구상의 인간 중 한 명이며 여러 동물들 중 하나다. -17쪽

마찬가지로 어제까지 열심히 공부했기 때문에 오늘 시험을 잘 볼 수 있는 것이지, 내일 열심히 공부할 것이기 때문에 오늘 시험을 잘 볼 수 있는 것은 아니다. 일방향성을 갖는 시간의 특성으로 인해 우리의 현재 상태는 태어날 때 부모님으로부터 물려받은 초기 조건에서 출발해 현재까지 살아온 인생 행적에 따라 결정된다. -30쪽

소설가에게는 글이 의미를 전달하는 수단이고 화가에게는 그림이 의미를 전달하는 수단이다. 마찬가지로 이공분야 사람들에게는 수식이 과학법칙이나 공학적 모델을 표현하는 수단이다. 일부러 어렵게 보이려고 수식을 쓰는 것이 아니다. 글보다 수식을 이용하면 의미를 전달하는 데 훨씬 효과적이기 때문에 쓰는 것이다. -47쪽

우리는 사인함수가 주기함수라는 사실, sinx를 미분하면 cosx가 된다는 사실 등 단순히 몇 가지 성질을 알고 있을 뿐이다. 그런데 우리는 무엇보다 매우 중요한 것을 알고 있다. 계산기를 두드리면 언제라도 그 값을 알 수 있다는 사실이다. 그러므로 우리는 사인함수를 ‘안다’고 말할 수 있다. 새로운 함수도 마찬가지리라. 적으면 두세 개, 많으면 열 개 정도의 성질을 알면 우리는 함수를 일단 아는 것으로 접수할 수 있다. -102쪽

종종 우리는 지도를 보면서 어디로 갈지 생각하곤 한다. 지도는 2차원적인 정보도 담고 있지만 등고선이라는 3차원 정보도 함께 그려져 있다. 등고선은 해안선처럼 물이 차오르면 동시에 물이 닿는 선이다. 지도에서 2차원적인 정보를 보면 평면적인 경로가 그려지지만, 등고선(포텐셜 라인)을 보면 입체적인 산의 형상이 머릿속에 그려진다. 각자의 머릿속에 들어 있는 3차원 CAD 소프트웨어를 작동시키면 보는 각도를 변화시키면서 깎아지른 듯한 산 능선의 형세와 굽이치는 계곡의 형태 등을 파악할 수 있다. -133쪽

겨울철 추운 날씨에 낮아진 온도는 시간이 지남에 따라 노출된 지표면에서 땅속으로 전파되는데, 침투 깊이는 시간의 제곱근에 비례하기 때문에 침투속도는 시간이 경과함에 따라 점점 느려진다. 따라서 몇 달이 지나고 계절이 바뀔 때까지 땅속으로 전파된 깊이는 대략 10미터에 불과하다. 따라서 더 깊은 땅속은 1년 내내 온도의 변화가 없다. 나는 이러한 열전달이론을 생각하며 말했다. -177쪽

생명을 유지하기 위한 최소한의 엔트로피 증가는 어쩔 수 없다 하더라도 지나친 인간활동은 우주 전체의 엔트로피 증가를 더욱 가속화시킨다. 필요 이상의 생명체 유지활동, 즉 지나치게 깔끔함, 멋을 부린 음식, 먼지 하나 없는 옷차림, 진한 화장, 젊어지려 함 등과 같이 자연현상에 대해 역행하려고 하거나 주변환경과 지나치게 차별화하려는 노력은 우주 전체에 너무 큰 부담이 될 수 있다. -224쪽

요즘은 공과대학에 실험장비도 많고 예전에 비해 실험도 많이 한다. 그렇다 하더라도 모든 실험을 다 해볼 수는 없고 또 그럴 필요도 없다. 시간을 절약하고 사고력을 높이기 위해 종종 사고실험을 하면 좋을 것이다. 역사적인 사고실험처럼 대단한 실험이 아니어도 된다. 이론으로 배우는 여러 가지 현상이나 상황들을 상상하기만 해도 충분하다. 단순히 머릿속으로 그려보는 것만으로도 많은 것에 대해 감을 잡고 이해할 수 있다. -261쪽

포트란 수업시간에 주어진 첫 번째 실습과제는 1부터 100까지의 정수를 합산하는 프로그램을 작성해 컴퓨터를 ‘돌리라’는 숙제였다. 어떻게 컴퓨터를 돌리라는 말인지 몰라서 일단 컴퓨터실에 가서 구경부터 하기로 했다. 컴퓨터실에 도착하니 문에는 무시무시한 해골 그림과 함께 ‘관계자 외 출입엄금’이라고 쓰여 있어서 감히 들어갈 엄두도 내지 못했다. -263쪽