학문
양파껍데기
종이 한 장의 접는 방식만으로 무거운 물체를 지탱할 수 있는 이유는 무엇일까요?
평평한 종이에 주름과 구조를 더하면 강도가 크게 달라지는 원리를 건축이나 포장재에 적용할 경우 적은 재료로 견고한 구조물을 만들 수 있을까요?
성실한 답변 부탁드립니다.
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
종이는 평평할 때 쉽게 휘지만 접어서 주름 골 삼각형 같은 입체 구조를 만들면 힘이 여러 방향으로 분산되고 단면의 휨 저항이 크게 증가합니다 특히 골판지나 벌집 구조처럼 공기층과 반복 구조를 활용하면 적은 재료로도 높은 강성과 하중 지지 능력을 얻을 수 있습니다 이러한 원리는 건축물의 트러스 구조 자동차 부품 항공기 구조물 포장재 등에 널리 적용되어 재료 사용량과 무게를 줄이면서 견고함을 높입니다 재료 자체의 강도뿐 아니라 어떤 형태와 구조로 배치하느냐가 구조물의 강도를 결정하는 중요한 요소입니다
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채택된 답변안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
종이가 힘을 못 버티는 건 재료가 약해서가 아니라 두께가 없어서예요. 얇은 판은 위에서 누르면 휘어지며 무너지는데, 이 휨에 저항하는 능력은 두께의 세제곱에 비례해요. 종이를 접어 세우거나 주름을 잡으면 재료는 그대로인데 힘을 받는 방향의 높이가 수십 배로 늘어나요. A4 한 장을 평평하게 두면 손가락으로 눌러도 처지지만 부채처럼 접어 세우면 책 몇 권을 올려도 버티는 게 그 차이예요.
주름 구조의 강점은 힘을 분산시키는 데도 있어요. 하중이 한 점에 몰리지 않고 접힌 능선과 골을 따라 여러 방향으로 나뉘어 흐르고, 각 접힌 면이 서로를 지탱해 한 면이 휘려 하면 옆 면이 잡아줘요. 골판지가 얇은 종이 두 장 사이에 물결 모양 종이 한 장을 끼운 것만으로 택배 상자를 감당하는 것이 이 원리예요. 철판을 물결로 눌러 만든 지붕재나 비행기 날개 속 벌집 구조도 같은 계열이고요.
건축과 포장재에 적용하는 건 이미 진행 중이에요. 포장 쪽은 골판지 자체가 완성된 사례고, 종이접기 기법을 응용한 접이식 완충재나 조립식 가구도 나와 있어요. 건축에서는 접이식 판 구조로 넓은 지붕을 기둥 없이 덮거나, 재난 지역용 접이식 임시 주택, 우주 태양광 패널을 작게 접어 발사했다가 펼치는 설계에 종이접기 수학이 쓰여요. 재료는 줄이고 강성은 형태로 얻는 거라, 자원 절약과 경량화가 동시에 필요한 분야일수록 이 접근이 늘어나고 있어요.
한계도 있어요. 접힌 구조는 계산된 방향의 힘에는 강하지만 예상 밖 방향의 힘이나 접힌 선에 반복되는 피로에는 약해요. 그래서 실제 설계에서는 하중 방향을 정확히 예측하고 접힌 선 부위를 보강하는 게 관건이에요 :)
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
가능합니다.
평평한 종이는 두께가 얇고작은 무게에도 휘어지지만 접는 방식에 변화를 주면 구조를 통해 힘을 분산시킬 수 있기 때문에 견고한 구조를 만들 수 있습니다.
실제로 종이와 같은 약한 재료로 견고한 구조를 만드는 응용 사례가 있습니다.
우리가 흔하게 보는 골판지 입니다.
두장의 평평한 종이 사이에 S 자 주름이 잡힌 종이를 접착한 구조 입니다. 이렇게 구조를 만들면 매우 적은 종이양으로도 수십 kg 의 상자하중을 견디고 외부의 충격을 흡수 할 수 있습니다.
또 대표적인 예가 허니컴 구조라 불리는 육각형 벌집 구조 입니다. 실제로 꿀벌의 벌집을 모태로 만들어진 구조 이며 항공기 날개 내부, 열차 내장재, 건축용 단열 패널에 주로 쓰이고 있는 구조 입니다. 내부의 90% 이상이 비어 있어 무게는 극도로 가볍지만 수직 압축 강도는 금속만큼 강하여 자주 사용되는 구조 입니다.
최근에 현대 건축이나 우주항공에서는 종이접기의 일본말인 오리가미 구조라고 하여 별도의 기둥 없이 접힘만으로 우주의 안테나 구조를 설계하거나 대형 체육관 지붕을 구성하는 하는 기법도 있습니다.
감사합니다:)