공학이 일상으로 오기까지

마이클 맥레이, 조너선 베를리너 지음
이 책은 화학 공학, 기계 공학, 생명 공학 등 다양한 공학의 분야를 소개하며, 건축, 우주 개발, 의료
기술 등 공학을 응용한 분야의 대표적인 기술과 그 기술의 원리 등을 소개한다. 저자들은 공학과 관련
된 주제, 공학이 일상에 영향을 미치는 부분, 공학이 우리 삶에서 작동하는 방식 등을 살펴보고, 주변
세계에 적용된 수많은 응용 프로그램의 예시를 들며 방대한 공학 분야를 체계적으로 안내한다.

공학이 일상으로 오기까지
마이클 맥레이, 조너선 베를리너 지음



▣ Short Summary
오늘날 만들어지는 거의 모든 것은 공학의 산물이다. 옷, 의약품, 식품, 스포츠 장비, 화장품, 로켓과
건물의 설계, 시험, 제작, 유지, 관리, 분해, 재활용 과정 등등 모든 것이 공학의 산물이다. 따라서 오
늘날 공학자들은 다양한 분야를 다루게 된다. 예로 로켓을 궤도에 올리는 과정에서도 화학 공학자들은
우주의 압력을 견딜 수 있는 튼튼하지만 가벼운 재료를 개발하고, 기계 공학자들은 극한의 힘을 처리
할 수 있도록 재료를 배열하는 방법을 알아낸다. 또 전기 공학자들은 센서와 통신 기술을 연결하고,
컴퓨터 공학자들은 우주에서 보내오는 데이터를 읽을 수 있게 해 주는 프로그램을 만든다.
이 책은 화학 공학, 기계 공학, 생명 공학 등 다양한 공학의 분야를 소개하며, 건축, 우주 개발, 의료
기술 등 공학을 응용한 분야의 대표적인 기술과 그 기술의 원리 등을 소개한다. 저자들은 공학과 관련
된 주제, 공학이 일상에 영향을 미치는 부분, 공학이 우리 삶에서 작동하는 방식 등을 살펴보고, 주변
세계에 적용된 수많은 응용 프로그램의 예시를 들며 방대한 공학 분야를 체계적으로 안내한다.
1장에서는 공학의 개념과 기초를 비롯해 공학자가 되기 위해 갖춰야 할 자질에는 무엇이 있는지 알아
본다. 2장에서는 공학에 적용되는 수학 및 과학 개념을 훑어본다. 3장에서는 건축의 역사와 건축에 사
용되는 기계, 현대 건축물의 구조와 원리 등을 알아본다. 4장에서는 기술을 실현 가능케 하는 에너지의
종류와 에너지의 발생 원리를 설명하고, 또 오염이 덜한 에너지 자원의 종류와 지속 가능한 발전이라
는 방향을 제시한다. 5장에서는 지구촌화를 이끈 여러 교통수단의 유래와 구조를 알아본다. 6장에서는
동력으로 작동하는 기계와 로봇 공학, 그리고 지능형 기계 등에 대해 설명한다. 7장에서는 만물을 이루
는 원자와 같은 요소의 특징 및 결합과 그를 통해 발전된 현대의 기술을 살펴본다. 8장에서는 우리를

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더욱 건강하게 살게끔 도와주는 의료 기술과 유전자 조작 등을 소개한다. 9장에서는 현재 가장 소중한
기술인 통신 기술의 역사와 발전을 살펴본다. 10장에서는 아직 실현되지는 않았지만 수많은 엔지니어
가 힘을 합쳐 개발 중인 미래 기술을 소개한다.

▣ 차례
머리말 / 책 소개
1장 공학이란 무엇일까? : 1.1 발견과 발명 / 1.2 공학자의 자질 / 1.3 공학의 경제학 / 1.4 위험과 안
전 / 1.5 엔지니어란? / 1.6 측정
2장 공학의 과학 : 2.1 과학에서 공학으로 / 2.2 숫자의 공학 / 2.3 과학에 사용되는 공학 / 2.4 미는
힘과 당기는 힘 / 2.5 사물을 구성하는 아주 작은 요소들 / 2.6 에너지의 균형
3장 건축 : 3.1 고대의 건축 / 3.2 고도의 제한 / 3.3 다리를 건설하기 / 3.4 깊게 땅 파기 / 3.5 다른
세계에 정착하기
4장 동력과 공학 : 4.1 에너지원 / 4.2 전기 / 4.3 발전 / 4.4 국가 단위의 발전 / 4.5 친환경
5장 운송 수단 : 5.1 운송 / 5.2 개인용 운송 수단 / 5.3 대중교통 / 5.4 배와 잠수함 / 5.5 비행기 /
5.6 우주와 우주 너머로 / 5.7 미래의 교통수단
6장 기계 : 6.1 간단한 기계 / 6.2 동력으로 작동하는 기계 / 6.3 시간 측정 / 6.4 로봇 공학 / 6.5 지능
형 기계 / 6.6 양자 컴퓨팅 / 6.7 멋진 기술
7장 화학 공학 : 7.1 연금술, 마법인가 공학인가? / 7.2 시대별 제련 방식 / 7.3 반사와 어둠 / 7.4 플라
스틱 문제 / 7.5 비료 / 7.6 공학과 스포츠
8장 생명 공학 : 8.1 제약 공학 / 8.2 심장의 공학 / 8.3 피부 아래에는 무엇이 있을까? / 8.4 신체를 구
성하는 요소 / 8.5 장기는 어떻게 자랄까? / 8.6 실험실에서 잉태된 생명 / 8.7 유전자 조작 / 8.8 주방
안의 공학
9장 통신 : 9.1 통신의 역사 / 9.2 파동을 통한 통신 / 9.3 디지털화 / 9.4 데이터의 세계
10장 미래의 공학 : 10.1 별을 향하여 / 10.2 소행성의 공학 / 10.3 더 작은 것들 / 10.4 새로운 세상
만들기 / 10.5 불가능한 공학적 주제
기술 연대표 : 큰 영향을 미친 발명품 / 연대표: 기원전 1만 년 ~ 서기 1500년 / 연대표: 서기 1500
~ 1900년 / 연대표: 서기 1900 ~ 2000 / 연대표: 21세기
정답 / 용어 사전

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공학이 일상으로 오기까지
마이클 맥레이, 조너선 베를리너 지음
공학이란 무엇일까?
발견과 발명
우리는 고고학적 증거를 통해 알려진 최초의 바퀴가 기원전 3500년경에 발명되었다는 것을 알고 있다.
엔지니어들은 오랜 시간에 걸쳐 이 바퀴의 구조와 기능을 개선해왔고, 최초의 바퀴 발명으로부터
5000년이 지난 오늘날 바퀴는 시속 300마일 이상으로 달리는 슈퍼 카에 쓰일 수 있게 되었다.
공학은 과학을 응용한 것인데, 과학에 대한 이해가 확장됨에 따라 우리는 세상에 대해 점점 더 많이
알게 되었다. 예를 들어 대부분의 발명품은 완전히 새로운 것이 아니라 기존의 아이디어나 개념을 발
전시킨 것이다. 전자계산기는 고대의 주판에서 시작되었으며, 휴대전화는 비둘기나 전령을 통해 메시
지를 주고받는 것에서 시작되었다. 그리고 음악 스트리밍은 축음기를 통해 재생하던 레코드에서 테이
프 카세트로 발전했고, 테이프 카세트는 CD로, CD는 다운로드 가능한 음원 파일로 발전했다. 이 세상
에서 만들어지는 모든 것은 공학적 진화를 통해 발전해왔는데, 처음에는 단순한 기능으로 시작했지만,
수 세대의 엔지니어들을 거쳐 더 편리하고 더 나은 형태로 진화했다.
공학자의 자질
엔지니어에게도 스킬, 곧 기술이 필요한데, 그들은 여러 사람과 다양한 프로젝트를 수행하는 과정에서
그 기술을 개발하게 된다. 그렇다면 엔지니어에게 필요한 능력은 무엇일까? 엔지니어의 역할은 문제에
대한 해결책을 제시하고, 새롭고 창의적인 제품을 발명하며, 사람들이 안전하고 건강한 삶을 유지하는
데 도움을 주는 것이다. 따라서 엔지니어는 문제를 해결하기 위해 많은 질문을 해야 하고, 아이디어를
전달하고, 팀으로 작업하며, 자신의 과학 및 기술 지식을 적용하여 해답을 찾을 수 있다. 생각해 보자.
내가 가진 아이디어를 다른 사람들에게 설명할 수 없다면 무슨 소용이 있을까? 특정 시간 이내에 해결
해야 하는 중요한 문제의 기한을 놓쳐서 심각한 결과가 초래된다면 어떻게 될까? 이처럼 팀워크와 문
제 해결 능력, 계획하고 체계적으로 일하는 것은 매우 중요한 스킬이다.
공학의 경제학
공학과 발명은 작은 아이디어에서 시작한다. 하지만 말 그대로 시작에 불과하며, 엔지니어는 그 작은
불꽃을 현실로 만드는 방법을 알아내야 한다. 한편 숫자는 공학의 여러 부분에서 매우 중요하게 쓰이
는데, 수학은 공학의 핵심이며 숫자로 작업하는 방법을 아는 것은 공학에서 필수적이다. 기발한 아이
디어가 있다면 먼저 어떤 점을 고려해야 할까? 예로 아이디어가 건물이나 다리 등 대규모 건설물에 관
련된 경우, 엔지니어는 설계가 안전한지 확인하고, 원자재비용을 결정하고, 예산을 추정해야 한다. 또
시간이 얼마나 걸릴지(시간은 곧 돈이다!), 예산 범위를 벗어나지는 않는지 파악해야 한다. 그리고 제
품에 대한 아이디어인 경우, 엔지니어는 아이디어를 판매할 수 있는 물건으로 실현시켜야 한다. 한편
엔지니어는 제조비용이나 유지 관리 비용을 줄여 보다 경제적인 방법을 개발하거나 설계를 수정하여
비용을 줄일 수도 있는데, 이렇듯 제품을 저렴하고 수익성 있게 만드는 것을 “원가 절감”이라고 부른
다. 엔지니어는 작업의 경제성 또는 재정을 이해할 수 있어야 한다.

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공학의 과학
과학에서 공학으로
비행기를 설계하거나, 새로운 의약품을 개발하거나, 박테리아의 유전자를 변형하는 등 자연의 법칙을
발견하는 것은 실험을 통해 아이디어를 검증하는 과학자들의 몫이다. 그런 다음 엔지니어들은 이 지식
을 사용하여 설계가 작용하는 방식을 이해하고 가능한 한계선까지 기술을 끌어올릴 수 있다.
고대의 엔지니어들에게는 과학적인 법칙이 없었지만, 그들은 실용적인 지식을 통해 스톤헨지 같은 건
축물을 건설할 수 있었다. 이때 사용된 돌의 무게는 차 25대의 무게를 합친 것과 비슷했다고 한다. 돌
을 들어 올리려면 지렛대와 도르래가 필요했고, 그것에 사용될 나무와 밧줄의 강도를 예측해야 했다.
또한 고대의 엔지니어들은 바닥이 넓을수록 구조가 더 안정적이라는 것을 알고 있었다. 때문에 이집트,
멕시코, 과테말라에서 발견된 것처럼 높은 구조물은 피라미드 형태를 띠게 된다. 이 시기 엔지니어들
은 기하학을 사용했는데 기하학은 “지구를 측정하기”라는 뜻의 그리스어에서 유래했다.
현재 가장 높은 건물인 두바이의 부르즈 할리파를 설계한 엔지니어들은 더 많은 지식을 필요로 했다.
지질학자들은 탑 아래에 있는 암석의 강도를 연구했고, 재료 과학자들은 콘크리트 혼합물이 서로 다른
온도에서 어떻게 수축하고 팽창하는지, 물리학자들은 돌풍이 건물의 모양과 어떻게 상호 작용하는지
연구했다. 건물이 변화하는 환경에 어떻게 반응할지 예측할 수 없다면 붕괴될 수도 있기 때문이다.
미는 힘과 당기는 힘
교량 설계가 안정적인지 또는 새로운 재료가 어떻게 작용할 것인지 예측하기 위해 엔지니어는 물체 또
는 물체를 구성하는 입자가 밀고 당기는 방식을 모델링해야 하는데, 물리학자들은 밀고 당기는 것을
“힘”이라고 부르고 공식을 사용해 은하만큼 큰 물체에서 원자처럼 작은 물체에 이르기까지 물체들이
서로에게 미치는 영향을 모델링하고 예측한다. 힘은 질량과 가속도를 곱해 구한다. 따라서 질량이나
가속도가 커지면 그만큼 힘이 커진다. 이는 실험 결과와도 매우 정확하게 일치하며 건설에서 우주여행
에 이르기까지 거의 모든 분야에 사용된다. 힘을 측정하는 단위는 뉴턴(N)이다.
사물을 구성하는 아주 작은 요소들
모든 것은 ‘원자’라고 불리는 작은 입자로 이루어져 있다. 서로 다른 물질이 만나면 원자끼리 달라붙고
배열되는 방식에서 특성을 얻는다. 또한 화학 반응에서 원자들은 새로운 물질을 만들기 위해 재배열한
다. 지금까지 약 6천만 개의 다른 물질이 발견되었다. 한편 원자는 ‘양성자’, ‘중성자’, ‘전자’라는 훨씬
더 작은 입자로 만들어진다. 양성자와 전자는 정전기력으로 서로를 밀고 당기는데, 원자핵에 있는 양
의 양성자는 궤도를 도는 음의 전자를 끌어당긴다. 같은 전하를 가진 물체는 반발하여 서로 가까이 있
을 수 없으므로 각 전자는 핵의 다른 궤도에 머문다.
한편 하나의 양성자를 가진 원자는 원자 번호가 1이고 모두 비슷하게 작용한다. 원자 번호 1은 수소이
며, 원자 번호와 반응 방식에 따라 배열된 주기율표에서 지금까지 발견된 모든 원소를 찾을 수 있는데,
산소나 철과 같은 일부 요소는 일상에서도 쉽게 볼 수 있지만 어떤 요소들은 실험실에서만 볼 수 있다.
2002년에 과학자들은 118개의 양성자를 가진 가장 큰 원자 ‘오가네손’을 발견했다. 2005년 이후 발견
된 원자는 단 5개에 불과하다.

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건축
고대의 건축
인간은 수천 년 동안 인류를 안전하고 따뜻하게 지켜줄 공학적인 구조를 만들어왔는데, 건축 구조를
설계한다는 것은 물체가 무너지지 않도록 하는 힘을 이해하는 것이다. 인류의 조상이 자연적인 구조물
이 아닌 인위적인 피난처를 건설하기 시작한 정확한 시기와 방법은 아무도 모른다. 하지만 우리는 기
원전 1만 년까지 사람들이 큰 돌로 만든 튼튼한 구조물을 지었다는 사실을 알고 있다.
현존하는 고대 건축물의 대부분은 조각된 돌을 무너지지 않도록 쌓은 것이다. 피라미드와 지구라트(거
대한 계단식 구조)는 오랜 세월을 견뎌낸 돌 건축의 유명한 예시이다. 돌을 쌓아 올리기 위해서는 기
술적 혁신이 필요했고, 덕분에 돌보다 단단한 금속을 개발하게 되었다. 초기 금속 도구는 ‘공작석’이라
고 불리는 광석에서 추출할 수 있는 구리로 만들어졌지만, 구리는 너무 부드러워서 화강암과 같은 단
단한 암석을 효율적으로 절단할 수 없었다. 따라서 약 5000년 전 사람들은 주석과 구리를 혼합해 구
리보다 단단한 합금 청동을 만들어냈다. 이후 사용된 철은 청동보다 더 단단했고, 철광석을 제련함으
로써 튼튼한 건축 자재를 정밀하게 조각할 수 있게 되어 기술과 건축을 새 시대로 이끌었다.
고도의 제한
건물을 더 높이 지으려는 시도 중 일부는 종교적인 이유에서 시작되었으며, 당시 인류는 장엄하고 강
력한 느낌을 주는 거대한 대성당을 건설했다. 한편 건축가는 돌을 옮길 때 ‘버트레스’라고 불리는 각진
지지대로 힘을 교묘하게 분산시키는 방법을 고안했다. 그런데도 이 동굴 같은 건물의 내부는 어둡고
우중충했다. 큰 창문을 두면 무거운 벽이 불안정해져 모든 간격이 좁고 작아야 했기 때문이다. 이후
중세 시대에 엔지니어들은 하중을 수평으로 분산시키는 아치를 사용하면 사용하는 돌의 양을 줄일 수
있다는 사실을 발견했고, 버트레스가 가늘어지면서 날씬해 보이기 때문에 ‘플라잉 버트레스’라는 이름
이 붙었다. 창의 윗면은 둥글거나 약간 뾰족한 모양으로 튼튼하게 만들어서 크기를 키웠다.
구름 사이의 집: 19세기 산업혁명은 더 많은 사람을 도시로 유입시켰고, 더 많은 주택과 사무실에 대한
수요를 만들었다. 그런데 건물을 짓는 것이 유일한 선택이었지만 큰 지지대를 세울 공간이 거의 없었
을뿐더러 아무도 매일 10층의 계단을 오르고 싶어 하지 않았다. 이렇게 공간이 부족한 상황에서는 버
트레스가 도움이 되지 않으므로 건물을 더 높게 짓기 위해서는 돌이 아닌 다른 것을 사용해야 했다.
때문에 빔이 만들어지는 방식을 개선해 강철 골격을 기반으로 큰 유리창과 얇은 돌벽으로 건물을 지을
수 있게 되었다. 한편 고층 빌딩은 19세기 중반 전동 엘리베이터의 발명 이후에야 실제 사용이 가능해
졌다. 층간 사이에 자재를 들어 올리는 방법은 이전부터 있었던 것이지만, 엘리샤 오티스(Ellisha Otis)
라는 미국의 발명가는 안전장치를 추가해 사람이 탈 수 있게끔 했다.

동력과 공학
에너지원
공기를 움직인 바람처럼 에너지를 유용한 방식으로 전달하는 것을 ‘에너지 저장소’ 또는 ‘에너지원’이
라고 부른다. 식물은 광합성을 통해 세포에 화학적으로 에너지를 저장하고, 이 에너지를 연소해서 유
용한 방식으로 방출할 수 있는데, 나무는 10만 년 전 인류의 첫 번째 에너지원이었고 오늘날에도 여전

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히 사용되고 있다. 한편 유기체가 죽을 때 저장된 에너지는 그것을 분해하는 미생물에 의해 사용되기
때문에 퇴비 더미는 때때로 따뜻해지곤 하지만, 생물체가 땅에 묻히면 산소가 부족해 분해되지 않는다.
하지만 수백만 년 동안 깊숙이 묻혀 있으면 지각의 열과 압력으로 인해 석탄, 석유 또는 천연가스로
변할 수 있다. 이런 화석 연료는 저렴하고 운송이 간편하며 연소 시 매우 빠르게 많은 에너지를 방출
한다. 때문에 지금 우리 세계에서 쓰이는 대부분의 에너지는 이러한 화석 연료에서 비롯되며, 이러한
연료는 한번 연소하면 영원히 사라지기 때문에 ‘재생 불가능한 연료’라고 부른다.
바람의 흐름과 함께: 바람과 강처럼 움직이는 유체는 돛이나 터빈을 밀어 운동에너지를 전달할 수 있
는데, 물레방아는 기원전 4~3세기에 중동에서 처음 발명되었으며, 강의 운동에너지를 끌어오는 데 사
용되었다. 또한 인류는 수천 년 동안 바람을 사용해 배를 몰아왔고, 최초의 풍차는 9세기에 페르시아
에서 발명되었는데 페르시아인들은 풍차를 사용해 물을 퍼 올리거나 곡물을 갈았다. 강과 바람은 에너
지를 사용해도 사라지지 않기 때문에 둘 다 재생 가능한 에너지로 간주한다.
태양과 관련 없는 에너지 / 일반적으로 사용되는 에너지원: 화석 연료와 식물의 광합성은 태양의 열에
너지를 흡수한 것이고, 바람은 대기가 불균형적으로 가열되어 발생하기 때문에 태양에서 기인한다. 강
또한 태양에 의해 증발한 공기 중의 물이 산과 언덕의 꼭대기에서 응축되어 형성된 것이기 때문에 태
양으로부터 에너지를 얻는다. 하지만 태양이 없었다고 해도 우리는 여전히 에너지를 얻을 수 있었을
것이다. 배터리는 화학 반응을 사용해 전기에너지를 전달하고, 핵반응은 많은 열을 방출하며, 일부 지
역에서는 지구의 지각이 아주 얇아서 지열로 물을 가열할 수 있다. 한편 이렇게 일반적으로 사용되는
에너지원은 모두 서로 장단점이 있지만, 화석 연료 연소가 기후에 미치는 영향이 더욱 극심해짐에 따
라 재생 가능한 에너지원이 더욱 중요해지고 있다.
친환경
과학자들은 1950년대에 이르러 화석 연료 연소로 인한 이산화탄소 증가로 우리의 대기가 온난화하고
있음을 알아차렸다. 하지만 그 후로 에너지 수요는 훨씬 더 많아졌고, 오늘날의 대기에는 250년 전보
다 2.5배 많은 이산화탄소가 존재한다. 연료를 태우면 다른 문제도 발생한다. 배출된 폐가스는 공기
중의 물과 반응하여 비를 더욱 산성으로 만들 수 있으며, 이는 식물과 호수에 좋지 않고, 또한 공기를
통해 건강에 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 오늘날 엔지니어들이 직면한 도전은 인류의 건강과 인류
가 생존하는데 필요한, 동식물의 건강을 손상시키지 않으면서도, 에너지를 충족시키는 것이다.
친환경 에너지: 수력 및 조력과 같은 재생 가능 에너지는 발전소를 건설할 수 있는 위치에 따라 제한
된다. 그리고 풍력은 에너지를 생성하는 가장 저렴하고 효율적인 방법이지만 바람에 의존하며, 태양광
발전은 햇빛이 충분할 때만 에너지를 생산할 수 있다. 이렇듯 예측할 수 없는 에너지원 문제를 해결하
기 위해서는 수요가 없을 때 에너지를 저장하여 수요가 많을 때 방출할 방법을 찾아야 한다.

운송 수단
운송
엔지니어들은 더 빠르고 편리하고 안전하고 저렴한 운송을 위해 바퀴, 날개, 돛, 프로펠러, 엔진 등을
개발하여 혁신을 이어왔고 이러한 변화는 삶을 변화시켰다. 고대인들은 배에 무거운 물건을 실어 나르

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기 위해 해안 근처에 살기도 했는데, 약 6000년 전 바퀴가 발명되면서 사람보다 더 힘이 세고 관리 비
용이 저렴한 소, 말 등의 포유류를 사용해 수레를 더 쉽게 끌게 되었다. 하지만 그럼에도 불구하고
1800년대에 증기 기관이 발명되기 전까지의 운송은 여전히 느리고 비쌌다.
1700년대 초반에 발명된 증기 기관은 18세기 말 제임스 와트에 의해 크게 개선되었다. 때문에 동력의
단위는 그의 이름을 따서 이름 지어졌다. 증기 기관은 연료를 태워 물을 끓이고, 이때 발생한 증기로
피스톤을 밀어 바퀴를 돌릴 동력을 제공하는 구조이다. 한편 오늘날 대부분의 차는 1800년대 중반에
발명된 내연 기관을 사용한다. 엔진 내부에서 연료가 연소하고 가스가 팽창하여 피스톤과 로터를 밀어
동력을 제공한다. 내연 기관은 증기 기관보다 작으므로 자동차, 보트. 제트기에 동력을 공급하는 데 사
용된다. 한편 연료를 태우면 오염 물질이 발생한다. 하지만 전기 모터는 배기가스를 거의 배출하지 않
는데, 전기 모터는 100년 넘게 선로나 가공 케이블을 통해 전력을 공급하는 노면전차나 기차에 사용되
었지만, 배터리 기술의 제약으로 인해 자동차에는 대중화되지 못했다.
비행기
비행기는 날개의 힘으로 들어올려지며 날개의 모양이나 각도를 조정함으로써 다른 어떤 형태의 운송
수단보다 빠르게 이동할 수 있는데, 1903년 노스캐롤라이나에서 라이트 형제가 최초로 유인 비행기를
만들었다. 한편 액체나 기체가 통과할 때 한쪽이 다른 쪽보다 더 많이 밀리도록 설계된 모양을 ‘에어포
일’이라고 부르는데, 이 모양은 두 가지 방법으로 비행기가 나는 데 도움이 된다. 에어포일을 아래쪽으
로 기울이면 날개 바닥에 더 많은 공기 저항이 생겨 선체가 위쪽으로 밀린다. 또한 날개는 ‘베르누이
효과’를 활용한다. 가장 큰 여객기는 에어버스 A380-800로 715톤 이상의 무게를 버틸 수 있고, 최대
850명의 승객을 태울 수 있으며, 14,800킬로미터를 날 수 있다.
비행기는 날개에 양력을 생성하기 위해 앞으로 나아가야 하지만, 헬리콥터와 드론은 기울어진 에어로
폴이 달린 회전 로터를 사용해 호버링(일정한 고도를 유지한 채 움직이지 않는 상태)할 수 있다. 즉,
활주로 없이 이륙할 수 있어 교통 체증을 피하거나 환자를 이동시키는 목적으로 사용할 수 있다.

기계
간단한 기계
공학이라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것이 기계이다. 자동차 부품을 찍어내는 거대한 공장 단위의 기
계부터 평범한 쥐덫에 이르기까지 엔지니어들은 단순한 재료에 물리학을 적용해 우리 삶을 더 쉽게 만
들어주고 있다. 집에 있는 기계 중에서 구조가 가장 간단한 것은 무엇인가? 어쩌면 시계가 떠오를지도
모른다. 이런 간단한 기계 말고도 많은 복잡한 기계들이 존재하지만, 그것들도 마찬가지로 레버, 바퀴
도르래, 나사와 같은 구성 요소로 만들어진다.
동력으로 작동하는 기계
대부분의 기계는 사용자의 물건을 근력에 의존해 자르고, 파고, 들어 올리고, 회전시키고, 미는 작업을
수행한다. 또한 다른 에너지원을 사용해 힘을 전달할 수도 있다. ‘엔진’은 에너지를 변환해 작동하는 기
계이다. 엔진은 지렛대나 바퀴처럼 간단한 기계를 사용해서 에너지원을 작업에 용이한 형태로 변환한
다. 엔진은 다양한 모양, 크기, 재료, 구조로 만들어지지만, 기본적인 유형은 몇 가지로 정리될 수 있

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다. 어떤 유형은 유체가 압축된 후 또는 가열될 때 팽창하는 유체의 부피에 기반한다. 이때 유체를 가
열하는 열은 화석 연료를 태우거나, 핵분열, 또는 태양열에서 얻을 수 있다. 또 다른 유형의 엔진은 자
기와 전류 사이의 상호 작용에 기반한다. 이는 흐르는 전자를 사용해 별도의 자기장을 밀어내는 방식
으로 간단한 기계를 움직이며 매우 높은 전압을 만들어낼 수도 있다.
로봇 공학
외부 환경이 변화할 때 자체적으로 대응할 능력을 가진 기계는 로봇이라고 할 수 있다. 로봇 시스템은
인간이 하기 싫은 반복적이고 위험한 작업을 수행하면서 꽤 오랫동안 주변에 존재해 왔다. 여기에는
자동차 부품을 결합하는 기계 팔과 바닥을 돌아다니며 먼지와 부스러기를 빨아들이는 로봇 청소기가
포함된다. 언젠가는 컴퓨터가 로봇 팔을 안정적으로 조종해 섬세한 수술을 시행하게 될 것이다.
지능형 기계
오늘날 우리가 사용하는 컴퓨터의 초기 이름은 “범용 튜링 기계”로, ‘알고리즘’이라는 명령 집합을 처리
할 수 있는 기계를 상상한 20세기 영국 수학자 앨런 튜링의 이름을 따서 명명되었다. 초기 계산 기계
는 특정 알고리즘을 염두에 두고 설계되었지만, 튜링의 작업은 정보를 사용해 거의 모든 문제에 대한
답을 얻는 계산 장치 기계에 영감을 주었다. 반면에 컴퓨터는 계산을 수행하고 메모리를 유지하기 위
해 다른 구성 요소를 사용한다. 뇌의 여러 영역이 고유한 작업에 집중하는 동안 각 뉴런은 기억과 계
산을 수행하는 작은 프로세서처럼 작동하는데, ‘뉴로 모핑 컴퓨팅’이라고 하는 이 기술은 알고리즘을
처리하는 데 필요한 시간을 훨씬 단축할 수 있을 것으로 기대된다.
AI란 무엇인가?: 인간의 특징 한 가지는 새롭고 놀라운 정보가 나타났을 때 그것을 기억하여 다음번에
사용하는 것인데, 복잡한 문제를 해결하고 새로운 정보에 적응하는 이러한 능력을 우리는 지능이라고
정의하며, 그러한 능력을 갖춘 컴퓨터를 ‘인공지능’ 또는 ‘AI’라고 부른다. 소프트웨어 엔지니어들은 그
림을 그리는 것부터 신약 설계에 이르기까지 모든 종류의 데이터에서 패턴을 찾은 뒤, 새롭고 창의적
인 방식으로 사용할 수 있는 AI 프로그램들을 개발하고 있다.

화학 공학
연금술, 마술인가 공학인가?
화학 공학은 특정 작업에 더 적합하고 좋은 새로운 재료를 개발하기 위해 물리학과 생물학 및 화학을
응용하는 것을 포함한다. 수 세기에 걸쳐서 고대 이집트의 기술이 물질에 대한 그리스 철학과 결합하
여 “연금술”이라는 체계를 형성했는데, 이러한 관행은 “불완전”하게 섞인 요소들을 “완전한” 것으로 만
들기 위해 여러 가지 용액을 섞는 작업이 포함되었다. 그들이 가장 완벽하게 여긴 것은 금이었고, 또
다른 목표는 병에 걸리거나 죽지 않게 하는 방법을 찾는 것이었다.
화학으로 가는 길: 연금술사들은 물질이 어떻게 분해되고 재결합되는지 연구했는데, 그들이 개발한 증
류, 증발, 침전 및 여과 방법이 이후 화학 연구의 기반이 되었다. 여러 면에서 연금술사는 최초의 화학
엔지니어라고 할 수 있다. 그들은 새로운 방법으로 금속을 정제하고, 새로운 종류의 물감을 만들고, 도
자기를 개선했다. 하지만 그들은 그 결과를 실험에 근거한 것이 아니라 초자연적이고 영적인 것으로
설명하려고 했기 때문에 과학적인 방법에 비해 더 많은 시행착오를 겪었다. 이후 17세기에 이르러 자

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연 철학자들은 지금까지 관찰한 것을 설명하는 더 간단한 법칙을 고안했다. 1661년 로버트 보일은 저
서 『의심 많은 화학자』에서 아리스토텔레스의 4대 기본 요소가 존재하는지 의문을 제기했다. 그리고
그의 아이디어는 현대 화학의 기초가 될 요소들에 대한 새로운 사고방식을 제공했다.
플라스틱 문제
플라스틱이 처음 개발된 것은 200년 전이다. 그 이후로 인류는 용도에 맞춰 다양한 유형의 플라스틱을
개발했다. 플라스틱은 탄소 기반 분자가 엉킨 끈 모양의 혼합물 또는 중합체인데, 이 혼합물에 다른
화학 물질을 추가하면 고분자 그물을 유연하게 할 수도 있으며, 이 외에도 거의 모든 모양으로 변형할
수 있다. 한편 플라스틱은 원유에서 나오는 탄소 분자로 만들기 때문에 재료를 구하기가 쉽고 저렴하
며, 이러한 특성 덕분에 플라스틱은 일회용품의 재료로 사용되게 되었다. 하지만 자연에서 쉽게 분해
되지 않아 플라스틱 폐기물이 축적되기 시작했고, 오늘날 지구상에서 플라스틱이 발견되지 않는 곳이
없으며, 심지어 심해에서도 미세 플라스틱이라는 플라스틱 파편이 발견된다.
플라스틱 사이클: 플라스틱 폐기물을 최소화하기 위해서는 플라스틱 사용을 줄이고, 재사용 및 재활용
해야 하는데, 이 방법에는 기계적 방법과 화학적 방법이 있다. 기계적 재활용은 사용한 플라스틱을 녹
여 새 제품으로 만들기 위해 과립 또는 분말로 바꾸는 과정이다. 기계적 재활용을 위해서는 사용한 플
라스틱 제품을 씻고, 작은 조각으로 자르는데, 이 경우 중합체가 분해되므로 기계적으로 재활용된 플
라스틱으로 만든 제품은 다시 기계적으로 재활용될 수 없다. 화학적 재활용에는 탄소 중합체를 ‘단위
체’라고 부르는 단일 연결로 전환하는 작업이 포함되며, ‘PET’는 투명한 용기를 만드는 데 사용되는 일
반적인 플라스틱으로 이를 에틸렌글리콜과 혼합하면 짧은 사슬로 분해되어 재활용할 수 있다.
그런데 모든 플라스틱 제품이 이런 방식으로 재활용되는 것은 아니다. 중합체를 더 부드럽고 화려하게
만들기 위해 첨가제를 혼합하는 경우도 있는데, 이런 첨가제는 제거하기 어렵고 공정을 오염시킬 위험
이 있다. 그런데 ‘PDK’라고 불리는 새로운 종류의 중합체가 이런 문제를 해결할 수 있다. 엔지니어들
은 플라스틱을 재활용하는 것뿐만 아니라 쉽고 저렴하게 만드는 새로운 방법도 고안해야 한다.

생명 공학
제약 공학
신체에 문제가 생겼을 때 생명 공학자들은 화학 및 물리학적 지식을 생물학에 적용한다. 오늘날 의약
품 생산은 약 1조 달러 규모의 글로벌 산업이 되었다. 화학자들은 다양한 분야에서 질병을 치료할 새
로운 방법을 찾는다. 그중 일부는 열대 우림이나 산호초와 같은 자연 생태계에서 얻었으며, 지역의 토
착 문화마다 세대를 걸쳐 전해져 내려오기도 했다. 다른 것들은 컴퓨터를 사용해 기존 치료법을 수정
하거나 우리 몸에 대한 모델을 생성하는 방식으로 만들어지기도 한다.
장기는 어떻게 자랄까?
19세기 초 처음으로 성공적인 수혈이 이루어진 후, 의사들은 장기나 조직, 심지어는 팔과 다리를 이식
하는 것까지 기술과 지식의 경계를 넓혀왔다. 매년 전 세계 60여 개국에서 약 140,000건의 장기 이식
이 시행되는데, 그중 약 8,000개는 심장이며, 나머지 이식은 대부분 간이나 신장으로 이루어진다. 기
증자와 수여자가 다른 사람이기 때문에 모든 장기 이식은 면역 체계로 인해 실패할 위험이 있다. 이를

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방지하기 위해 환자는 기증된 장기가 손상되지 않도록 면역 체계가 반응하지 않게 유지하는 강력한 약
물을 복용해야 한다. 생명 공학자들은 세포, 조직, 심지어 환자의 신체와 똑같이 행동하는 전체 기관을
배양하는 새로운 방법도 연구하고 있다. 일부는 이미 실현되었고 언젠가 제대로 기능하는 심장이나 신
장을 배양하는 기술이 개발되면 수백만 명의 생명을 구할 수 있을 것이다.
유전자 조작
농부들은 동식물 모체를 조절하여 영양가가 높거나 털이 풍성하거나 살집이 좋은 가축을 키웠다. 이것
을 ‘선발 육종’이라고 한다. 최근 과학자들은 DNA 내용을 자르고 재배열하는 데 사용할 ‘효소’라는 단
백질을 만드는 박테리아를 발견했다. 올바른 효소를 선택해 누락되고 뒤죽박죽된 유전자를 직접 편집
할 수도 있다. 이런 방법을 약제로 쓸 유전자를 삽입하거나, 질병을 유발하는 유전자를 제거하거나, 해
충에 대한 내성을 높이는 데에도 사용할 수 있다.

통신
디지털화
오늘날 우리는 지구 반대편에 있는 누군가와 즉각적으로 의사소통을 하는 것을 아무렇지 않게 받아들
이지만, 그런데 불과 200년 전만 해도 멀리 메시지를 보내려면 몇 주가 소요됐다. 하지만 전기가 발명
되면서 전신, 전화, 라디오, 텔레비전을 통해 즉각적으로 장거리 통신이 가능하게 되었고, 오늘날에는
컴퓨터와 인터넷의 발전 덕분에 훨씬 더 많이 연결되어 있다. 스마트폰이 전화, 도서관, 카메라, 텔레
비전, 라디오 등등의 역할을 해낼 수 있는 것은 디지털 통신 덕분이다. 정보를 이진 코드로 변환하여
컴퓨터를 구축할 수 있었고, 그로 인해 통신이 더 빠르고 편리해졌다.
이진법 코드를 사용해 소리를 디지털 방식으로 표현할 수도 있다. 아날로그 신호는 1초 미만 동안 지
속되는 조각으로 나뉜 뒤 각 조각에 음높이와 볼륨 값이 부여되고, 이러한 값을 이진법으로 표시한 뒤
CD에 인쇄하거나 컴퓨터에 저장할 수 있다. 그런 다음 코드가 다시 아날로그 신호로 변환되어 스피커
를 통해 재생된다. 이 방법의 장점 중 하나는 신호가 약간 교란되더라도 수정할 수 있으므로 품질을
잃지 않고 더 멀리 보낼 수 있다는 것이다. 또한 빛을 사용한 광섬유를 통해 전송할 수 있으므로 전기
보다 빠르고 효율적이다. 아울러 디지털 정보는 책과 레코드 대신 컴퓨터에 저장할 수도 있으므로 이
제 주머니에 좋아하는 음악, 영화와 책과 사진을 잔뜩 담고 다닐 수 있다.

미래의 공학
새로운 세상 만들기
역사는 공학의 경이로운 성공 사례로 가득하다. 우주가 어떻게 작동하는지 더 많이 알게 되었고, 더
튼튼한 재료, 더 강력한 기계, 더 빠른 전자 제품을 만드는 기술을 개발하기 위한 도전이 계속되었고
성공했다. 그리고 오늘날 공학 분야에 꿈을 가진 사람들이 미래의 엔지니어가 되어 우리를 지구 밖으
로 데려갈 것이다. 드넓은 하늘과 우주조차 공학의 발전을 한계 짓지 못할 것이다.
화성 재설계: 지구상 가장 가혹한 환경을 갖춘 장소들의 특징을 모두 더하더라도 화성과는 비교되지
않는다. 화성의 대기는 지구에서 가장 높은 산의 공기보다 희박하며, 화성 토양의 독성은 지구에서 가

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장 염도가 높은 평야의 그것보다 더 강하다. 또한 화성의 수분은 지구상 가장 건조한 사막보다도 적다.
이렇게 화성의 환경은 천국과는 동떨어져 있다. 하지만 이런 가혹한 조건 중 많은 부분이 ‘테라포밍’이
라고 불리는 미래 공학의 결과로 바뀔 수 있다. 우리가 과거 지구의 모습을 알지 못했다면 이것이 불
가능한 일이라고 생각했을 것이다. 화성의 환경을 인간이 거주할 수 있도록 바꾸려면 세 가지를 달성
해야 한다. 이는 대기층을 두껍게 하고, 열을 더하고, 방사선으로부터 표면을 지키는 것이다. 이러한
작업 중 어느 것도 쉽지 않으며 아직 발명되지 않은 기술을 필요로 하기도 한다. 이제 이 목표를 달성
하는 데 가능성을 더하는 이론들을 살펴보자.
행성을 어둡게 만들기: 화성은 태양으로부터 멀리 떨어져 있어 일조량이 지구의 3분이 2 수준에 그친
다. 또한 ‘알베도’라고 불리는 특성 때문에 많은 빛이 다시 우주로 반사되므로 햇빛이 행성 온도를 높
이는 데 크게 도움이 되지 않는다. 화성은 햇빛의 약 70퍼센트를 열로 전환하지만, 화성을 덮고 있는
하얀 얼음 조각과 밝은 주황색 암석과 먼지가 빛을 우주로 반사하고 있는데, 화성을 더 어둡게 만들고
알베도 현상을 줄이면 열을 조금 더 생성할 수 있을 것이다. 예를 들어 화성 위성의 먼지는 얼음을 이
산화탄소로 녹이고 액체 상태의 물을 방출하는 식으로 행성을 덮을 수 있다. 이 밖에도 엔지니어들은
화성 주위를 도는 거대한 돛을 만들어 우주 거울로 활용하는 계획을 고안하고 있다. 이런 “합성 항성”
들이 빛을 직각으로 반사하면 표면에 더 많은 빛을 반사하여 온도를 높일 수 있다.
가스 유입: 화성에 아무리 많은 에너지를 더해도 열이 우주로 빠져나가기 때문에 온도가 오르지 않는
다. 지구의 대기는 약 100킬로파스칼(kPa)의 압력을 가지고 있으며, 압력이 6킬로파스칼 아래로 떨어
지면 피부와 폐에 있는 액체가 빠르게 끓는데, 화성대기의 압력은 1킬로파스칼에 불과하다. 그런데 가
스를 더 추가하면 이것이 담요처럼 작용해 행성을 따뜻하게 유지하는 데 도움을 주며, 수증기나 이산
화탄소 같은 가스를 추가하려면 혜성이나 소행성을 화성으로 향하게 해 소행성의 대기를 화성이 빨아
들여야 한다. 또한 화성 표면의 눈을 녹이면 가스가 방출되는데, 대기층이 두꺼워지면 지구처럼 온실
효과를 만들어 더 많은 열을 가둘 수 있다. 한편 염화불화탄소 같은 다른 첨가제는 지구에서는 오염물
질이지만, 화성에 보내면 얼어붙은 행성을 따뜻하게 하는 대기 담요로 활용할 수 있다.
빨간색 행성을 초록색 행성으로: 지구의 극한 조건을 견딜 수 있는 유기체를 선택하거나 유전적으로
특수한 생명체를 생성함으로써 대기를 두껍게 하고 독소를 분해하는 산소를 방출하는 것이 가능할 수
도 있다. 심지어 그런 유기체들이 화성 표면의 알베도를 감소시킬 수도 있다. 생태계가 단계적으로 진
화하는 것처럼 시간이 지남에 따라 새로운 유기체가 추가되어 이런 과정이 지속될 수 있는데, 박테리
아나 해조류나 곰팡이는 화성을 변화시켜 적응력이 좋은 동식물이 살 수 있는 곳으로 만들 것이다.


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