에펠탑은 매년 여름마다 자란다! 왜?

고철덩어리 에펠탑

 
오늘날 에펠탑Eiffel Tower으로 알려진 구조물은 원래 300미터 높이 탑을 뜻하는 '투르 드 300미터Tour de 300 mètres'라는 이름으로 일컬었다.

이 이름은 엔지니어 모리스 쾨클랭Maurice Koechlin과 에밀 누지에Émile Nougier가 탑 건설을 감독한 귀스타브 에펠Gustave Eiffel에게 제안한 것이다. 이 이름은 에펠이 새로운 높이 기록을 세울 특별한 기술, 즉 무언가를 건설하고자 하는 열망을 암시했다.

하지만 여름철 기온이 상승함에 따라 에펠탑은 원래 설계보다 더 높이 자라난다.

생각보다 가벼운 철 구조물

에펠탑은 프랑스 혁명 100주년을 기념하기 위해 1889년 세계 박람회World's Fair에서 건립되었다.

에펠은 웅덩이 철puddled iron[무슨 전문 용어가 있을 텐데, 몰라서 그냥 이리 써 둔다]을 건축 자재로 선택했는데, 이는 그가 잘 알고 있었고 이전 프로젝트에서 좋은 결과를 얻은 재료였다. 이 철재는 높은 응력stress을 견딜 수 있어 수평 바람의 힘으로부터 안전한 크고 매우 가벼운 탑을 건설할 수 있었다.

탑이 얼마나 가벼운지 짐작하실 수 있을 겁이다. 7,300톤이라는 무게는 탑 안에 담긴 공기 무게인 약 6,300톤과 비슷하다.

에펠탑은 주요 관측 지점이자 라디오 방송 기지로 설계되었다.

탑 자체는 거대한 삼각형 격자 구조triangular lattice structure로, 에펠탑 사무실에서 설계한 가라비트 고가교Garabit Viaduct(같은 에펠 사무소에서 설계했다)와 스코틀랜드의 포스교Forth Bridge처럼 생겼는데, 둘 다 같은 시기에 건설되었다.

이러한 모든 구조물은 재료의 온도가 상승하면 성장한다. 그러나 더 복잡한 방식으로 거동하는 다리와 달리, 에펠탑은 온도 변화로 인해 주로 수직 성장과 수축을 경험한다. 이 현상을 열팽창thermal expansion이라고 한다.

성장과 수축을 반복하는 재료

대부분의 고체는 온도가 상승하면 팽창하고, 온도가 하락하면 수축한다는 것을 우리는 안다. 이는 온도가 상승하면 원자의 교반agitation이 더 심해져 원자 사이의 평균 거리가 증가하기 때문이다.

결합의 특성에 따라 다양한 종류의 고체는 성장이 더 크거나 작으며, 엔지니어는 이를 매우 신중하게 기록해야 한다. 결합력이 강한 세라믹과 유리는 금속보다 덜 팽창하고, 금속은 폴리머polymers보다 덜 팽창한다.

그렇다면 고체의 움직임 양을 어떻게 추정할 수 있을까?

대부분의 공공사업과 건축에서 보beams와 막대bars[건축 용어라 마뜩한 말이 있을 것이다]가 주를 이루는 직선 구조의 경우, 움직임은 세 가지 변수, 즉 요소element의 길이, 온도 변화, 그리고 재료의 팽창 계수에 비례한다.

가라비트 고가교Garabit Viaduct. 1884년 완공 당시 세계에서 가장 긴 아치교였다. 출처: 위키미디어 커먼즈, CC BY

머리카락 길이만큼

많은 세라믹 재료 팽창 계수는 일반적으로 0.5x10⁻⁶에서 1.5x10⁻⁶(°C)⁻¹ 사이이며, 금속은 5x10⁻⁶에서 30x10⁻⁶(°C)⁻¹ 사이, 폴리머는 50x10⁻⁶에서 300x10⁻⁶(°C)⁻¹ 사이다.

이 (이상하게 보일 수도 있는) 숫자는 온도가 섭씨 1도 상승할 때 표준 길이 단위의 팽창을 나타낸다.

가장 팽창성이 높은 재료는 폴리머로, 금속보다 약 10배, 금속은 세라믹보다 10배 더 팽창한다.

에펠탑에 사용된 웅덩이 철과 그 강철 부품의 열팽창 계수는 약 12x10⁻⁶(°C)⁻¹이다. 즉, 1미터 길이 철봉은 온도가 1도 상승할 때 12x10⁻⁶미터만큼 팽창한다. 이는 머리카락 굵기보다 작은 12마이크론에 불과하다.

그렇다면 열이 건물에 눈에 띄는 영향을 미칠까? 그렇다, 고려해야 할 두 가지 요소가 더 있다. 바로 철봉 길이와 철봉이 위치한 곳의 온도 범위다.

길이는 매우 길 수 있다. 에펠탑은 높이가 300m이지만, 가라비 고가교는 길이가 565m, 포스교는 길이가 2.5km가 넘는다.

오늘날에는 더 큰 선형 구조물이 많으며, 열 팽창은 많은 교량의 지지를 위해 건설된 철도 선로에도 영향을 미친다.

역사적인 온도 범위도 분석해야 한다.

파리는 2세기 이상 기온을 기록했으며, 겨울 최저 기온은 -20도 미만, 여름 최고 기온은 약 40도에 달했다.

태양 복사의 영향도 고려해야 한다.

금속은 직사광선에서 훨씬 높은 온도에 도달할 수 있으며, 종종 60도 또는 70도를 초과한다.

태양으로부터 멀어지다

이제 계산해 보겠다. 온도가 100도 변동할 때 100미터 길이 금속 막대가 얼마나 팽창하는지 추정해 보겠다. 이는 에펠탑이 경험하는 대략적인 온도 범위다.

계산은 간단하다. 1미터 막대가 온도가 1도 상승할 때 0.000012미터 팽창한다면, 100미터 막대는 온도가 100도 상승할 때 0.12미터 팽창한다. 그리고 300미터 막대는 그 세 배인 0.36미터, 즉 36cm 팽창한다. 이는 눈에 띄는 차이다.

분명 단순한 막대는 18,000개가 넘는 철 조각을 사방으로 꽂아 만든 탑과 같은 성능을 발휘하지 못한다.

게다가 태양은 항상 한쪽 면에만 비친다. 즉, 한쪽 면이 다른 면보다 더 크게 자라 마치 태양으로부터 멀어지는 것처럼 탑이 약간 휘어진다.

전문가들은 에펠탑이 추운 겨울날과 가장 더운 여름날의 크기를 비교했을 때 실제로 12~15cm 정도 자란다고 추정한다.

이는 에펠탑이 랜드마크이자 통신탑, 그리고 파리의 상징일 뿐만 아니라, 사실상 거대한 온도계이기도 하다는 것을 의미한다.
 
이상은 아래에 의거한다. 


https://phys.org/news/2025-08-eiffel-tower-bigger-summer.html

The Eiffel Tower gets bigger every summer—here's why

 
 
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기온 혹은 계절별 변화에 목재는 더욱 민감하다. 이를 우리는 일상에서 마주한다. 곧 여름철 습한 때 나무는 물기를 잔뜩 머금어 팽창하지만, 가을 겨울 봄철 건조기에는 물기를 빼앗겨 수축해서 틈이 쩍쩍 벌어진다. 

이 아티클은 간단해서 금속 역시 그런 현상이 있다는 뜻이다. 

에펠탑이 최대 36센티미터를 더 자란다는 사실, 엄청나지 않는가? 저 거대한 고철 덩어리가?