고무줄은 당기면 길게 늘어났다가 손을 놓으면 다시 원래 길이로 돌아옵니다. 너무 당연해서 별생각 없이 쓰지만, 사실 이 간단한 동작 뒤에는 분자의 움직임과 에너지 변화라는 흥미로운 과학 원리가 숨어 있습니다. 왜 고무줄은 늘어났다가 다시 돌아오는 걸까요? 그리고 왜 오래 쓰면 늘어져 버릴까요?
(고무줄 속 분자는 원래 엉켜 있다)
고무줄은 고체처럼 단단해 보이지만, 미세한 세계로 들어가 보면 전혀 다른 모습입니다. 고무를 이루는 분자들은 길고 가느다란 실처럼 생긴 고분자 사슬 구조로 되어 있고, 평소에는 서로 뒤엉킨 채 무작위로 말려 있습니다.
이 상태에서는 분자들이 제각각 구부러지고 접혀 있어서 전체 길이가 짧아 보입니다. 마치 실타래가 엉켜 있으면 짧고 뭉쳐 보이지만, 하나씩 풀면 길어지는 것과 비슷합니다.
고무줄을 잡아당기면 이 엉켜 있던 분자 사슬들이 한 방향으로 쭉 정렬되며 펴집니다. 이 과정에서 고무줄 전체 길이가 늘어나게 되는 것입니다.
즉, 고무줄이 늘어나는 것은 재료가 찢어지거나 늘어나는 것이 아니라, 분자의 배열이 바뀌는 현상입니다.
(손을 놓으면 다시 돌아오는 이유는 ‘엔트로피’ 때문이다)
고무줄을 놓으면 다시 원래 길이로 돌아오는 이유는 분자들이 “편한 상태”로 돌아가려 하기 때문입니다.
분자 입장에서 가장 안정적인 상태는 정렬된 상태가 아니라, 자유롭게 뒤엉켜 있는 상태입니다. 이를 과학적으로는 엔트로피(무질서도)가 높은 상태라고 합니다.
고무줄을 당기면 분자들이 억지로 줄 맞춰 세워진 상태가 됩니다. 이는 분자에게는 불편한 상태입니다. 그래서 힘을 놓아주면 분자들은 다시 서로 엉키며 무작위 상태로 돌아가려고 하고, 그 결과 고무줄도 짧아지며 원래 길이로 복원됩니다.
이 성질을 탄성이라고 부르며, 고무줄이 고무줄답게 작동하는 핵심 이유입니다.
(오래 쓰면 늘어지는 이유와 온도의 영향)
고무줄을 오래 사용하거나 너무 세게 당기면 어느 순간 원래 길이로 돌아오지 않고 늘어진 채로 남는 경우가 생깁니다. 이는 분자 구조 일부가 끊어지거나, 다시 엉킬 수 없을 정도로 배열이 변해버렸기 때문입니다.
또한 온도도 큰 영향을 줍니다.
- 뜨거우면: 분자 운동이 활발해져 고무줄이 더 잘 늘어납니다.
- 차가우면: 분자 움직임이 둔해져 고무줄이 딱딱해지고 잘 늘어나지 않습니다.
겨울에 고무줄이 잘 끊어지는 이유도 바로 이 때문입니다. 분자들이 유연하게 움직이지 못해 충격을 흡수하지 못하고 쉽게 파손됩니다.
정리:고무줄은 ‘분자가 움직이는 장치’다
고무줄이 늘어나는 것은 단순히 재료가 부드럽기 때문이 아닙니다. 그 안에서는 수많은 분자들이 정렬되고 풀리며 끊임없이 위치를 바꾸고 있습니다.
우리가 무심코 사용하는 작은 고무줄 하나에도 분자 구조, 에너지, 온도, 엔트로피 같은 과학 개념이 모두 들어 있습니다.
다음에 고무줄을 당길 때는, 눈에 보이지 않는 분자들이 질서와 무질서 사이를 오가며 움직이고 있다는 사실을 한 번 떠올려 보셔도 좋겠습니다. 작은 일상 속에도 과학은 늘 살아 움직이고 있습니다.