시애틀 남쪽에 위치한 타코마(Tacoma)와 킷셉 반도(Kitsap Peninsula) 사이의 좁은 바닷길인 타코마 협곡(Tacoma Narrows)을 가로지르는 16번 고속도로에는 타코마 브릿지라는 다리가 있습니다.

 

지금 현재 있는 다리는 1950년에 지어진 다리이지만, 이는 1940년에 지어졌던 원래의 다리가 엄청난 자연의 힘에 의해 붕괴된 후 다시 지어진 다리입니다. 1940년 7월 1일에 개통되었던 처음 다리는 당시에 샌프란시스코의 금문교(Golden Gate Bridge)와 뉴욕 맨하튼과 뉴저지를 연결하는 조지 워싱턴 브릿지(George Washington Bridge) 다음으로 세계에서 세번째로 긴 서스펜션 브릿지이며 동시에 가장 아름다운 서스펜션 브릿지로 주목을 받았습니다.

 

서스펜션 브릿지, 즉 현수교란  밴쿠버와 노스셔(North shore)를 연결하는 라이온 게이트 브릿지(Lion Gate Bridge)와 같이 주탑과 주탑사이에 메인 케이블을 연결하고 이 케이블과 교량을 수직으로 연결해서 고정시킨 다리 형식을 말합니다.

 

이러한 서스펜션 브릿지는 정도의 차이는 있지만 바람이 불면 어느정도 흔들림이 있게 됩니다. 노스밴쿠버에 있는 캐필라노 서스펜션 브릿지와 같이 심하게 요동을 느낄 수 있는 작은 다리도 있지만, 일반적으로 차량 통행을 위한 교량들은 그 흔들림이 거의 느끼지 못할 만큼 적을 뿐, 어느 정도의 흔들림은 있을 수 밖에 없습니다. 하지만, 타코마 브릿지는 건설이 시작된 1938년 이후로 건설도중에도 인부들이 느낄 수 있을 만큼의 진동이 자주 있어서, 인부들 사이에서 “Galloping Gertie”, 즉 ‘널뛰는 거티’라는 별명으로 불리곤 했다고 합니다.

 

그들은 이를 서스펜션 브릿지에서 생기는 일반적인 현상이고, 다른 곳보다 바람이 세게 부는 협곡의 지형특성상 조금 더 크게 느껴질 뿐이라고 생각했을 뿐 대수롭게 생각하지는 않았었습니다. 하지만, 개통이후에도 너무 심한 흔들림에 차량운행이 통제되기를 반복하다가 지금으로부터 56년전인 1940년 11월 7일에 아침부터 다리가 파도처럼 출렁이다가 마침내 오전 11시경 교량의 중심부가 마치 폭탄이 터진 것처럼 붕괴해 버리고 말았습니다.

 

이날 다리의 출렁임을 연구하고자 하는 한 대학 연구팀이 이 교량의 흔들림을 카메라에 담았고, 이 모습은 검색사이트에서 ‘Tacoma narrow bridge collapse’라고 검색하면 쉽게 찾아보실 수 있습니다.

 

당시 협곡에 불었던 바람의 풍속은 약 64 km/h로서 약한 태풍이 지나갈 때의 바람의 세기 정도가 되기는 하지만 당시 그 다리는 원래 최대 190 km/h 정도의 풍속까지 견딜 수 있도록 설계된 다리였기 때문에 단지 바람때문에 다리가 붕괴될 수는 없었습니다. 상대적으로 약한 바람이었음에도 불구하고 웅장한 다리가 붕괴된 이유로 당시 사고 원인을 조사하던 과학자들은 공진(Resonance)를 꼽았습니다.

 

모든 구조물은 기하학적 구조에 따라 자체 고유 진동수(frequency)를 갖고 있으며, 외부에서의 진동이 이 고유 진동수와 정확하게 일치하게 되면 물체의 진동이 증폭되는 현상을 공진이라 합니다. 쉬운 예로 아이들이 타는 그네는 그네의 흔들림의 진동수가 있습니다. 아빠가 그네를 밀어줄 때 이 진동수에 맞춰서 밀어준다면 그네가 점점 더 높게 올라가겠지만, 진동과 일치되지 않게 그네를 밀면, 그네가 휘청거리며 멈춰버릴 것입니다. 즉, 비록 바람의 세기는 그렇게 세지 않았지만, 협곡 사이로 부는 바람의 진동수와 다리의 진동수가 일치하며 공진을 일으켜 다리의 흔들림이 점점 심해져서 붕괴되었다는 설명입니다.

 

이는 소프라노가 낸 특정 고음에 의해서 와인잔이 깨져버리는 것과 같은 원리입니다. 공진에 의해서 다리가 붕괴된 사고는 사실 타코마 브릿지가 처음은 아닙니다. 이보다 훨씬 전인 1831년 영국군 약 500여명이 맨체스터시 근처의 브로턴이라는 서스펜션 브릿지에서 발을 맞추어 행군하던 중 병사들의 발구름 소리의 진동수가 다리의 고유 진동수와 일치되면서 다리가 심하게 요동치다 붕괴되는 사고로 많은 병사들이 사망하는 사고가 있었다고 기록되어 있습니다. 그 이후로부터 모든 군대의 군인들이 다리 위를 행군할 때에는 발을 맞춰 행군하지 않는 지침이 생겼다고 합니다.

 

이 후 공진에 의해 얼마나 커다란 구조물까지도 붕괴될 수 있는지를 보여준 상징적인 예로 전해온 타코마 브릿지의 사건은 1990년 프린스턴 대학의 유서프 빌라(K. Yusuf Bilah)교수와 존스 홉킨스대학의 로버트 스캔란(Robert H. Scanlan) 교수가 미국 물리학회지에 발표한 논문에 의해 새롭게 조명을 받았습니다.

 

그들은 당시 공기의 흐름에 의해 생성된 진동수와 다리의 고유 진동수가 서로 일치하지 않는다는 것을 밝힘으로써, 공진이 다리 붕괴의 직접적인 원인이 될 수 없다고 반박하고 새로운 원인으로 플러터(flutter) 현상을 주장했습니다. 플러터 현상이란 주로 기체역학분야 또는 항공역학 분야에서 주로 언급되는 현상으로 공기의 흐름과 구조물이 상호작용을 하면 구조물 내에 진동이 생기고, 이 에너지는 구조물을 따라 흐르며 상쇄되고 사라져야 하는데,  공기의 흐름이 일정값 이상으로 빨라지면 진동에너지가 상쇄되는 대신 중첩되어 더욱 커져 구조물에 커다란 진동을 만들어 낼 수 있는 현상을 말합니다.

 

이는 항공역학에서 매우 중요시 다루어지는 현상으로서 비행기의 속도가 빨라지면 플러터현상에 의해 날개가 출렁이듯 진동하는 현상이 생겨 위험할 수 있기 때문에 비행기 운행시 속도 제한을 정하는 중요한 요인으로 고려됩니다. 하지만, 이 플러터 현상 역시 더 깊숙히 따져보면 일종의 공진현상이라고 이해할 수 있기 때문에 타코마 브릿지의 붕괴원인을 공진현상때문이라고 이야기하는 것이 크게 잘못된 것이라고 볼 수는 없다는 것이 지배적인 의견입니다.

 

어쨋든 타코마 브릿지 사고로 얻는 경험덕분에 이 후 다리를 건설할 때에는 토목공학적 문제들 뿐만 아니라 기체역학적 문제들이 필수적으로 고려되기 시작했다고 합니다.

 

석준영 (비센학원장)