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프롤로그 이번 글에서는 헤드(Head), 샤프트, 그립으로 구성된 클럽을 휘둘렀을 때 실제로 느껴지는 무게감인 스윙웨이트(Swing Weight)에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다. 스윙웨이트란 무엇인가? 골프 스윙은 말 그대로 클럽의 그립을 잡고 전체를 회전운동을 하도록 하는 것입니다. 따라서 회전운동을 하는 동안에는 클럽을 저울에 올려놓은 무게보다 훨씬 더 무겁게 느끼게 됩니다. 회전 운동에서의 무게감을 가장 잘 나타낼 수 있는 물리량이 바로 토크(Torque)입니다. 바로 이 토크 T 값에서 상수를 제외하고 구간에 따라 등급으로 표시한 것을 스윙웨이트라고 합니다. 스윙웨이트는 무게뿐만 아니라 회전반경이 커져도 증가하게 됩니다. 무게 m인 물체를 회전반경 r로 회전 운동하도록 하는 경우의 토크 T는 r X m, 즉 회전반경과 무게를 곱하여 계산합니다. 무게 m 인 물체를 회전 반경 r 로 회전 운동을 하도록 하는 경우의 토크 하지만 골프 클럽은 전체 무게를 쉽게 측정할 수 있지만 작은 물체가 아니라 길고 복잡한 구조를 가지고 있기 때문에 무게중심을 구한 후, 클럽 전체의 무게가 그곳에 집중되어 있다고 가정해야 합니다. 아래 사진에서와 같이 무게중심을 구하고 그립 끝을 중심으로 회전(스윙)한다면, 토크 값은 무게중심까지의 거리에 클럽 전체 무게를 곱하여 구할 수 있습니다. 실제 클럽의 무게 중심과 회전 중심 하지만 실제로는 그립의 끝이 아닌 중간 부분을 잡고 스윙하므로, 끝에서 14인치 지점을 중심으로 무게중심 위치에서 회전하는 파란색 물체(클럽 무게)의 토크 값을 구하는 것이 됩니다. 토크는 본래 중력가속도 값도 곱해야 하지만 일정한 상수이므로 공통으로 제외하여 계산하면, 이것이 바로 스윙웨이트 값이 됩니다. [ 무게중심까지 거리(인치) - 14(인치) ] x 클럽 전체 무게(g) 스윙웨이트 값의 단위는 위의 인치X그램 이외에도 인치X온스, 센티미터X그램 등 다양하지만 굳이 이해할 필요 없습니다. 스윙웨이트 등급표가 있기 때문에 이것만 잘 알...

이런저런 일로 정신이 없어서 따뜻한 봄이 왔지만 윈터타이어를 서머타이어로 교체하는 것을 까맣게 잊고 있었습니다. 얼른 예약을 하였지만 한 가지 궁금한 점이 생겼습니다. 이번 글에서는 겨울용 윈터타이어를 무더운 여름에 그대로 장착하고 사용해도 문제없는지를 알아보았습니다. 윈터타이어 윈터타이어는 기온이 낮아지는 겨울철 주행에 적합하도록 타이어 제조 공정에서 실리카 성분을 첨가하여, 영하의 온도에서도 타이어의 고무 성분이 경화되지 않고 특유의 유연성과 탄성을 유지하도록 첨단 기술이 적용된 타이어입니다. 타이어는 노면과 부드럽게 접촉하는 연성이 어느 정도 있어야 접지력이 좋아지기 때문에, 낮은 기온에서도 고무의 연성을 유지하는 것은 매우 중요합니다. 윈터타이어(좌), 서머타이어(우) 윈터타이어는 노면과 접촉하는 부위인 트레드(Tread)도 아일랜드 형태의 블록 패턴으로 구성되며, 각 패턴들은 배수로 역할을 하는 굵고 깊은 홈으로 분리되어 있습니다. 또한 윈터타이어의 모든 블록 패턴 표면에는 다시 스프링 모양의 특수 미세 패턴을 만들어 노면과 타이어의 접촉면적을 증가시킴으로써, 차량의 주행 안정성과 제동력을 높여주는 노면 접지력도 향상됩니다. 이 때문에 빙판길, 눈길에서 상대적으로 덜 미끄러지고 안정적인 주행이 가능합니다. 따라서 서머타이어는 아무리 늦어도 기온이 섭씨 7도 이하로 떨어지는 11월 안에는 윈터타이어로 교체하는 것이 기본적인 차량 안전을 위해 필요합니다. 특히 눈길이나 빙판길에 매우 취약한 후륜구동 자동차의 경우 더욱 절실하게 요구됩니다. 윈터타이어의 특성에 대한 보다 자세한 내용은 아래 링크를 확인해 주십시오. 서머타이어 하지만 서머타이어는 영상 7도 이하에서 고무 성분의 경화가 시작되어 노면 접지력이 떨어지며, 영하의 기온에서는 마치 딱딱한 플라스틱처럼 변하여 눈길이나 빙판길에서 마치 스키를 타는 것처럼 조향이 불가능하고 주행 안정성도 급격히 떨어집니다. 특히 후륜구동 자동차의 경우에는 더욱 제어가 안 되어 눈길에서 오도 가도 못하는 수입차...

겨울만 되면 윈터타이어의 필요성에 대한 논란이 반복됩니다. 이번 글에서는 이러한 논란에 종지부를 찍을 수 있도록 윈터타이어의 특성에 대해 과학적으로 자세히 알아보겠습니다. 물체의 마찰력과 접지력 거울처럼 매끄럽게 잘 가공된 금속 표면도 고배율 전자현미경으로 확대해서 보면 실제로는 매우 거칠다는 것을 알 수 있습니다. 금속 표면의 마이크로 영상은 아래 사진과 같이 마치 산봉우리와 계곡처럼 들쭉날쭉합니다. 금속 표면 의 마이크로 이미지 따라서 매우 편평한 두 물체가 서로 마찰하는 경계면도 이와 같이 현미경으로 확대해서 보면 요철에 의해 돌출된 부분만 서로 접촉되어 생각보다 마찰력이 크지 않습니다. (아래의 첫 번째 이미지 참조) 두 물체의 마찰면 (상) 위쪽이 고무일 때의 마찰면 (하) 이때 만약 위쪽에 유연성과 탄성이 좋은 고무 재질이 사용되면, 위의 이미지에서 볼 수 있듯이 미세한 요철을 따라 고무 표면이 변형되면서 밀착됩니다. 따라서 경계면에서의 접촉 면적이 증가하고, 고무 특유의 끈적이는 점착력으로 인해 마찰력이 크게 증가하므로 잘 움직이지 못하게 됩니다. 고무와 타이어의 특성 이와 같이 고무는 유연성, 고탄성, 높은 점착력과 마찰력을 갖지만 내구성이 약해 마모성이 큰 것이 특징입니다. 녹아내릴 정도의 지나친 고온이 아니라면 이러한 특성은 온도가 높을수록 강화되며, 반대로 저온에서는 저하됩니다. 유연성, 고탄성 높은 점착력 높은 마찰력 (= 접지력) 높은 마모성 고무의 특성은 고온에서는 강화되지만 저온에서는 저하됩니다. 그러나 지나친 고온에서는 녹아내립니다. 이 때문에 고무 제품은 수많은 분야에 사용되며 자동차 타이어에도 적용됩니다. 타이어는 합성 고무에 다양한 화학 물질을 혼합하고 복잡한 구조로 제조되지만, 주목해야 할 점은 타이어를 단단하게 만드는 블랙 카본과 부드럽게 만드는 실리카 성분입니다. 타이어 : 합성 고무 + 블랙 카본 + 실리카 + 경화제/가소제 등을 혼합하여 제조합니다. (다층 구조와 코어) 블랙 카본 성분이 ...

지난 글에서 소리, 음파의 파동 특성에 대해 알아보았습니다. 이번 글에서는 이러한 소리, 음파의 특성을 활용한 다양한 기기와 장치에 대해 알아보도록 하겠습니다. 초음파 활용 초음파는 인간이 들을 수 있는 소리(20 Hz ~ 20,000 Hz)보다 훨씬 높은 고주파수의 음파를 말하며, 백만(1,000,000) Hz 수준까지 올라갑니다. 따라서 인간은 초음파를 들을 수 없지만, 박쥐나 나방, 돌고래와 같은 동물들은 초음파를 사용하여 먹이를 찾고 지형을 파악하며 의사소통을 하기도 합니다. 파장이 짧은 초음파는 직진성이 강하므로, 초음파 펄스를 발사하고 반사파를 측정하면 소리의 속도와 진동수(또는 파장)를 알고 있을 경우 주변 물체까지의 거리를 알 수 있습니다. 이러한 자료들을 모아 컴퓨터로 분석하면 물체의 영상도 분석할 수 있게 됩니다. 우리 주변에서 가장 쉽게 볼 수 있는 초음파 활용 장치는 자동차의 주차 보조 센서입니다. 초음파 센서(Ultrasonic Sensor)를 자동차 범퍼에 설치하여 주변에 초음파 펄스(Pulse)를 발사하고 되돌아오는 반사파를 감지함으로써, 5미터 이내의 큰 물체까지의 거리를 계산합니다. 그 결과, 기준 거리보다 가까워지면 경고와 알람을 띄워 운전자가 주의하도록 함으로써 접촉사고를 예방합니다. 또한 성능 대비 가격이 저렴하여 자동차 센서로 널리 사용되고 있습니다. 초음파 활용 장치 자동차 주차 보조 센서(좌) 의료용 초음파 영상 장치(우) 초음파 영상 장치는 비교적 넓은 영역에 걸쳐 인체 내부에 초음파를 발사하고, 장기 외벽에서 돌아오는 반사파를 통해 영상을 분석하는 장치입니다. 피폭의 위험성이 있는 엑스레이나 CT 촬영에 비해 인체에 해가 적어 의료용으로 광범위하게 사용되고 있습니다. 복부와 목 부위, 특히 임산부의 태아 영상 분석에 사용됩니다. 물속에서는 음파가 더 멀리 도달하는 특성을 활용하여 초음파로 물속의 지형이나 물체를 파악할 수 있습니다. 따라서 군사용으로는 적군의 잠수함을 탐지할 수 있고, 민간용으로는 어군을 ...

빛은 일상생활에서 그 역할이 매우 중요할 뿐만 아니라, 과학에서도 차지하는 비중이 상당합니다. 이번 글에서는 빛이 가진 놀라운 특성인 간섭, 굴절, 분산에 대해 자세히 알아보겠습니다. 빛의 파동(Wave) 특성 빛은 이전 글에서 설명한 음파와 마찬가지로 파동의 특성을 가지며, 시간과 공간에 따라 주기적으로 동일한 물리량으로 변위합니다. 기본적인 조화파(Harmonic Wave)를 가정하면 파동 함수는 사인(Sine) 함수로 간단히 설명할 수 있습니다. 파동 함수 ψ(프사이, psi)는 ψ = A·sin(kx−ωt) 입니다. 여기서 전파수 k는 2π/λ, 각진동수 ω는 2π/τ 이므로 ψ = A·sin(2π·x/λ−2π·t/τ)와 같이 다시 표기할 수 있습니다. 여기서 A는 진폭, π(파이, pi)는 3.141592..., λ(람다, lambda)는 파장, τ(타우, tau)는 주기를 말합니다. 고조파(Harmonic Wave)를 가정한 파동 함수 사인(Sine) 함수 파동의 특성을 갖는 빛은 공간에서 이동 거리가 파장의 정수배만큼이거나, 시간이 주기의 정수배만큼 지난 경우 이전과 동일한 물리량을 갖게 됩니다. 전체 파동은 개별 파동의 합과 같다는 중첩의 원리도 파동의 특징 중 하나입니다. 따라서 파동 함수의 부호에 따라 빛의 진폭은 상쇄되기도 하고 보강되기도 합니다. 이는 이후에 설명하는 빛의 특성에 매우 중요한 원리입니다. 또한 반파장만큼의 공간 이동이나 반주기만큼의 시간 경과가 발생하면, 이전 값과 부호가 반대인 물리량을 갖게 됩니다. 빛의 굴절(Refraction) 특성 빛은 서로 다른 매질의 경계면에 입사되면 반사되기도 하고 투과되기도 합니다. 이는 빛이 진공이나 공기보다 치밀한 매질을 통과할 때 속도가 느려지기 때문에 나타나는 현상으로, 물이 담긴 그릇에 젓가락을 넣어보면 눈으로도 쉽게 확인할 수 있습니다. 아래 그림과 같이 입사하는 빛과 반사되는 빛이 수직선과 이루는 입사각 ic와 반사각 rl은 같지만, 투과되는 빛이 굴절되면서 이루는 ...

운전을 하다 보면 도로가 정체되는 것을 자주 보게 됩니다. 교통사고나 도로 보수 공사 등이 원인인 경우도 있지만, 그렇지 않고 특별한 이유 없이 차가 막히기도 합니다. 이번 글에서 도로 정체의 이유와 해결 방법이 없는지 과학적 사고로 풀어보도록 하겠습니다. 도로 정체의 원인 이제는 도심뿐만 아니라 웬만한 고속도로나 국도에서도 교통 정체를 자주 마주하게 됩니다. 하지만 어떤 때에는 한참 동안을 답답하게 정체가 되다가 갑자기 뻥 뚫린 도로를 시원하게 달릴 때, 앞쪽에 어떤 사고나 고장 차량, 공사도 없는데 왜 도로가 정체되었었는지 의아하게 생각한 적도 많습니다. 선행 차량의 고장이나 교통사고, 그리고 앞쪽에 공사가 있는 경우에는 사후 처리나 차선 제한으로 인해 도로가 정체되는 것이 당연합니다. 신호등도 없는 자동차 전용 도로조차 교통사고나 도로 공사 등의 특별한 이유도 없이 교통 정체가 발생하는 현상을 전문 용어로 유령 정체(Phantom Traffic Jam)라고 부릅니다. 그렇다면 이러한 유령 정체는 왜 발생하는 것일까요? 그것은 바로 도로에 차량이 많기 때문입니다. 하지만 도로에 주행하는 차량들이 많아지면 차간 간격이 좁아지고, 사고를 우려한 운전자들이 수시로 브레이크를 밟아 제동을 하면 그 뒤 차량들도 연쇄적으로 제동과 감속을 하게 됩니다. 물론 사고나 공사로 인한 차선 제한이 없다면, 도로에 차량이 아무리 많다고 하더라도 모든 차들이 차간 간격을 일정하게 유지한 채로 달린다면 이론적으로 교통 정체는 발생하지 않아야 합니다. 그러나 이러한 제동 현상이 한참 뒤쪽 차량들에게까지 누적되어 전달되면서, 결국 차량들은 아예 정지를 하게 되는 것입니다. 유령 정체 과정 아래 그림 1번과 같이 좁은 차간 간격을 유지하면서 함께 달리던 차량들 중, 2번에서와 같이 녹색 차량이 갑자기 제동을 한다고 가정해 봅시다. 그러면 뒤쪽의 모든 차량들은 순차적으로 정지하게 되지만, 앞쪽의 적색과 갈색 차량은 아무런 영향 없이 주행하여 제동을 한 녹색 차량과의 차간 간격이 ...

프롤로그 냉장고는 엔트로피 증가의 법칙에 의해 전기를 소비해야만 냉수와 얼음을 만들고 음식도 신선하게 보관할 수 있습니다. 이번 글에서는 냉장고 역사와 작동 원리, 그리고 엔트로피 증가 법칙에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 냉장고의 역사 냉장에 관한 기록은 중국 전국시대까지 거슬러 올라갈 정도로 오래되었습니다. 하지만 왕과 일부 권세 있는 귀족들만 얼음을 이용할 수 있었고, 일반 백성들은 추운 겨울 내내 얼어붙은 강물의 얼음을 자르고 운반하는 고통스러운 부역에 시달려야 했습니다. 우리 민족도 신라시대 때 이미 석빙고를 사용했고, 조선시대에는 동빙고와 서빙고를 만들어 얼음을 보관했습니다. 고대 그리스와 로마인들도 노예들이 퍼 나른 고산의 만년설을 잘 뭉쳐 저장고 벽 사이에 넣어 냉장을 하였으며, 마케도니아의 알레산드로스(알렉산더 대왕)나 로마의 네로 황제도 얼음을 즐겼던 것으로 전해집니다. 최초로 얼음을 만드는 데 성공한 사람은 18세기 영국의 윌리엄 컬런으로, 그는 에틸에테르를 진공에서 기화시켜 얼음을 만들었습니다. 냉장고의 효시가 된 제품은 19세기에 들어서서야 나왔는데, 영국의 발명가였던 제이콥 퍼킨스가 에테르와 압축기를 이용하여 현재의 냉장고와 유사한 원리의 제품을 만들었습니다. 초기에는 냉매 누출 등으로 인한 안전사고가 많이 발생했지만, 이후 많은 발명가와 과학자들이 개선된 냉장고들을 내놓으면서 기술이 발전했습니다. 산업용 대형 냉장고가 아닌 가정용 소형 냉장고 개발은 미국의 발명왕 에디슨이 설립한 GE에 의해 20세기 초에 성공했습니다. 지속적인 아이디어 적용과 과학 기술의 발달로 안전한 냉매인 프레온 가스가 활용되었고, 마침내 냉장고의 핵심 부품인 압축기의 소형화에도 성공하면서 지금의 직육면체 형태의 냉장고로 발전하게 되었습니다. GE가 개발한 최초의 가정용 소형 냉장고 엔트로피 증가 법칙 열역학 제2법칙인 엔트로피 증가 법칙을 한 마디로 요약하면, 모든 비가역 과정에서 엔트로피 즉 '무질서도'가 증가한다는 법칙입니다...

어떤 사람은 인간의 신체를 우주에 비교하기도 합니다. 인체는 매우 정교하고 과학적인 초정밀 기계이자 화학 공장이나, 아직 발견되지 않은 미지의 영역이 남아 있기 때문입니다. 이번 글에서는 좀처럼 믿기 힘든 인체의 신비로운 사실들에 대해 알아보도록 하겠습니다. 인체의 신비 1 일반적으로 남자는 4번째 손가락이 2번째보다 길고 여자는 2번째 손가락이 4번째보다 길다고 합니다. 출산 할 때의 산고가 인간이 느끼는 고통 중에 으뜸이라는 말이 있습니다. 하지만 남자들이 급소를 심각하게 강타당했을 때의 순간 고통이 이 수준을 넘는다고 합니다. 피가 우리 몸을 완전히 한 바퀴 도는 데에는 20~30초가 걸린다고 합니다. '전신 혈액순환 시간'이라고 부릅니다. 눈을 한번 깜빡이는 데에 걸리는 시간은 0.1~0.4초 사이입니다. 실로 눈 깜빡할 사이는 매우 짧은 시간이었습니다. 혀에 침이 묻어 있지 않으면 절대로 맛을 알 수 없고 코 속에 물기가 없으면 냄새를 맡을 수 없습니다. 물에 녹아야 우리의 감각기관이 화학적으로 감지할 수 있기 때문입니다. 갓난아기는 305개의 뼈를 갖고 태어나는데 뼈 형성과정을 거치면서 성인이 되면 여러 개가 합쳐져서 결국 206 개 정도로 감소합니다. 그중 절반이 손과 발에 있습니다. 매일 소비되는 칼로리의 20 ~ 25%는 뇌에서 사용됩니다. 알려진 바와는 다르게 사람은 눈을 뜨고 재채기할 수 있으며 재채기는 시속 약 100km의 속도로 퍼집니다. 손톱 뿌리가 손톱 끝까지 완전히 자라는 데에는 약 6개월이 걸립니다. 여성이 임신하면 혈액량이 약 25 % 증가합니다. 인체의 신비 인체의 신비 2 뇌는 10억 개의 뉴런과 그 사이에 사실상 무한한 연결을 가지고 있습니다. 매우 정교한 기계라고 볼 수 있습니다. 인간의 뼈는 화강암보다 강하고 콘크리트보다 10 배 무게를 지탱할 수 있습니다. 매일 한 남자의 고환은 한국 인구의 10 배에 달하는 정자를 생산합니다. 인간의 평균 수명 동안 심장은 약 2.5억 번...

물리나 과학의 기본 상식 중 하나인 전류! 이번 글에서는 이 전류에 대해 정말 쉽게 이해할 수 있도록 자세히 설명하도록 하겠습니다. 전류란? 전류(Current)는 + 또는 - 전하(Charge)를 운반하거나 전하 자체를 가지고 있는 전자(Electron)나 정공(Hole), 이온(Ion)이 운동하면서 발생하는 물리적 현상으로, 단위는 A(Ampere: 암페어)입니다. 암페어는 단위 시간당 운반되는 전하의 양으로 전류의 세기를 나타내며, 1 암페어의 전류는 1초에 1쿨롱(Coulomb)의 전하량을 운반하는 전류입니다. 일반적으로 전류를 표시하는 기호로는 알파벳 I를 많이 사용합니다. 같은 전하 사이의 척력이나 다른 전하 사이의 인력 등 그 외의 다양한 힘들이 작용하여 전하가 이동하면서 발생하는 전류는 현대 문명에서 사용하고 있는 거의 모든 장치들에 적용되고 있습니다. 다양한 전기 회로에서 전류는 전기 에너지를 전달하여 설계된 기능들이 작동하도록 하는 매우 중요한 동력원인 것입니다. 전류의 특성 전류는 양단에 전압(Voltage) 차이가 존재할 때만 흐를 수 있는데, +에서 - 방향으로 흐르게 됩니다. 전류가 흐르는 모든 경로에는 흐름을 방해하는 저항(Resistance)이 존재하여 전압과 전류가 감소합니다. 이때 전류와 저항, 전압과의 관계는 오옴의 법칙(Ohm's Law)에 의해 정의되며, I = V / R로 나타낼 수 있습니다. 여기서 I는 전류, V는 전압, 그리고 R은 저항을 의미합니다. 전자는 음(-) 전하를 띠므로, 반대 방향인 음(-)에서 양(+)으로 흐르게 됩니다. 전류가 흐를 때 주변에 자기장이 만들어집니다. 오른손으로 전류가 흐르는 전선을 주먹을 쥐듯이 잡되, 엄지손가락이 전류의 방향을 가리키도록 잡습니다. 이때 나머지 네 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향이 됩니다. 자기장의 방향은 오른손 법칙(Right Hand Rule)을 이용하여 쉽게 확인할 수 있습니다. 전류의 종류 직류 (Direct Current: DC) ...

에디슨에 의해 전구가 발명된 이후 조명 기술은 날로 발전했지만 조명색은 7가지 색을 벗어나지 않습니다. 이번 글에서는 조명색이 용도에 따라 다른 이유를 과학적으로 알아보도록 하겠습니다. 빛의 구성 우리가 눈으로 볼 수 있는 가시광선은 다양한 파장의 광선으로 구성된 빛의 일부분입니다. 여기서 나노미터는 10억 분의 1 미터의 길이를 의미하는 물리 단위입니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이 왼쪽은 파장이 380 나노미터 미만으로 매우 짧은 자외선(UV: UltraViolet Light), X선, 감마선이고 오른쪽은 적외선(IR: InfraRed Light), 초단파, 라디오파와 같이 파장이 760 나노미터보다 훨씬 큰 광선들입니다. 우리가 조명으로 사용하는 광선은 380 나노미터 보라색에서 760 나노미터 빨간색까지의 가시광선이며, 햇빛 기준으로 약 40% 비율에 해당하는 빛입니다. 파장이 짧은 광선은 투과율과 에너지가 높아 X선, 감마선은 엑스레이나 방사선 치료 등의 보안/의료기기 등에 사용되며, 자외선은 살균기나 태닝기기에 적용되지만 피부 노화의 주범이므로 되도록 피해야 합니다. 파장의 길이(nm)와 빛의 구성 반면 파장이 긴 적외선은 산란 현상이 적어 상대적으로 투과율과 열작용 효과가 높아 의료기나 군사용 장치에 적용되고, 초단파와 라디오파는 통신기기나 센서에 폭넓게 사용됩니다. 하늘이 파랗게 보이는 이유도 바로 햇빛 중 파란색 계열의 빛이 상대적으로 더 많이 산란되기 때문입니다. 여기서 산란(Scattering)은 빛이 미세한 입자에 부딪히면서 직진하지 못하고 사방으로 방출되는 현상이며, 파장이 짧을수록 더 크게 발생합니다. 가시광선 빨주노초파남보 무지개를 구성하는 7가지 빛깔의 가시광선은 조명에 사용되는 기본 색상이며, 이러한 색상들을 혼합하거나 전기 회로와 소자를 이용하여 다양한 용도와 색상의 조명을 만들 수 있습니다. 필라멘트를 이용하는 백열전구, 할로겐램프, 방전 효과의 형광등, 수은등, 나트륨등에서 레이저, LED칩까지 소재와 방법은 다양하...

기차는 단순히 교통수단 중 하나인 우리의 탈것을 넘어, 아련한 추억을 떠올리게도 합니다. 이번 글에서는 우리가 몰랐던 기차에 숨겨져 있는 과학 이야기에 대해 알아보도록 하겠습니다. 기차에 안전벨트가 없는 이유 자동차는 물론이고 비행기까지 안전을 위해 안전벨트를 반드시 착용해야 합니다. 자동차를 타고도 안전벨트를 착용하지 않을 경우에는 교통법규 위반으로 과태료를 물게 되어 있습니다. 그런데 이상하게도 기차의 실내 좌석에는 안전벨트가 없습니다. 저속으로 달리는 일반 기차는 물론이고 초고속 KTX나 SRT 열차에도 실내 좌석에 안전벨트가 없습니다. 여기에는 우리가 몰랐던 숨겨진 과학적 이유가 있습니다. 기차의 안전벨트는 사고 발생 시 승객의 안전을 지켜주기보다는 오히려 다치거나 사망할 위험을 증가시킬 가능성이 있기 때문에 모든 기차에 안전벨트를 장착하지 않는 것입니다. 그 이유는 역학적 물리 법칙으로 설명할 수 있는데, 정리하면 다음과 같습니다. 사고 시의 속도 변화 모든 물리적 충돌 시의 충격량은 단위 시간 동안 발생한 운동량의 변화로 구할 수 있습니다. 이것을 수식으로 나타내면 다음과 같이 간단하게 표시할 수 있습니다. 충격량 = △P /△t 여기서 t는 시간이고 P는 운동량으로 mv로 나타낼 수 있는데, m은 물체의 질량이고 v는 물체의 속도입니다. 이전 포스팅(맨 아래 링크 참조)에서 자세히 설명하였지만, 두 물체의 충돌 전후 속도는 에너지 보존법칙과 운동량 보존법칙을 통해 구할 수 있습니다. 물체의 무게가 무거울수록 속도 변화가 작고, 무게가 가벼울수록 속도 변화가 크다는 것을 알 수 있습니다. 두 물체의 충돌 후 무거운 물체는 속도 변화가 작아 충돌에 의한 충격량도 작아지게 되는 것입니다. 여기에서 기차에 안전벨트가 없는 첫 번째 이유가 나오는 것입니다. 주로 두껍고 무거운 철로 제작하여 한 량의 무게가 수백 톤에서 수천 톤에 이르는 기차는, 간혹 발생하는 충돌 사고 시에도 속도 변화가 거의 없기 때문에 실내에서 느끼는 충격량이 매우...

건어물이나 과자 같은 식료품, 의약품 등의 용기 안에 꼭 들어있는 실리카 겔! 이번 글에서는 실리카 겔이 흡습제 역할을 하는 원리와 실생활에서 사용할 수 있는 꿀팁을 공유하도록 하겠습니다. 실리카 겔이란? 실리카 겔(Silica Gel)은 유리의 성분이기도 한 SiO2(이산화 규소)가 주성분인 다공성 물질로, 정확한 화학식은 SiO2·nH2O입니다. 규산염의 수용액을 산으로 처리하여 만들는데, 미세한 산화 규소 입자가 떠있는 겔 형태에서 건조하면 남는 것이 바로 투명한 알갱이 형태의 실리카 겔입니다. 실리카 겔 알겡이 이 실리카 겔 입자에는 수많은 초미세 구멍들이 형성되어, 그 표면적을 합하면 엄청난 크기의 면적이 될 정도로 그 수가 많아 수분과 같은 작은 분자들을 흡착(Adsorption)하고 물과 같은 액체를 매우 잘 빨아들이는 성질을 갖게 됩니다. 이와 같은 흡착 특성으로 수분에 취약한 수많은 공산품들, 특히 인체와 잘 반응하지 않아 무해하기 때문에 식료품들의 흡습제로 실리카 겔이 폭넓게 사용되는 것입니다. 쥐포, 대구포, 김 등의 건어물에서 육포, 껌, 사탕, 의약품까지 습기가 좋지 않은 영향을 줄 수 있는 거의 모든 제품이 사용 대상에 해당됩니다. 다양한 실리카 겔 흡습제 그렇다면 인체와 반응하지 않고 무해한데, 왜 모든 실리카 겔 흡습제에는 먹지 말라는 경고문이 붙어 있을까요? 실리카겔을 먹었을 때 물과 반응하면서 섭씨 26도에서 30도까지 열이 발생하여 식도나 위장이 약한 사람들은 화상을 입을 수 있기 때문이며, 팽창해서 깨질 때 파편이 발생하기 때문입니다. 그러나 대부분의 흡습제에 포함된 실리카겔은 소량이고 입자가 작기 때문에 크게 위험하지는 않습니다. 문제는 바로 색이 있는 실리카겔입니다. 사용 시간이 지나 흡습 기능이 떨어지면 색이 변해서 교체 시기를 알려주는데, 파란색 실리카겔은 분홍색으로, 오렌지색 실리카겔은 암녹색으로 변하게 됩니다. 이러한 색이 있는 실리카겔은 첨가물이 들어가므로 절대 먹지 말아야 하며, 특히 파란색 실리카겔에는...

초중고 미술 시간에 배웠던 색의 삼원색과 빛의 삼원색은 대부분 흘려듣거나 시험을 위해 단순히 외우기만 하였습니다. 이번 글에서는 이러한 다양한 색에 숨겨져 있는 과학, 물리 현상에 대해 알아보도록 하겠습니다. 색의 삼원색 색의 삼원색은 미술이나 다양한 인쇄에서 주로 사용되는 기본적인 색상입니다. 서로 다른 색의 물감이나 도료를 혼합하면 색상이 변하지만 밝기가 어두워지고, 계속해서 다양한 색을 추가하여 섞으면 더욱 명도가 낮아지는데 이를 ‘감산혼합’이라고 하며, 이러한 색 체계에서 가장 기본적인 3가지 색을 삼원색이라고 합니다. 과거 미술 시간에는 적색, 청색, 황색으로 배웠으나 실제로는 CMY인 시안(Cyan, 청록색), 마젠타(Magenta, 자홍색), 옐로(Yellow, 황색)에 추가로 검정(Black)까지 4가지 색상이 기본 원색입니다. 청록색, 자홍색, 황색을 모두 혼합하여도 완벽한 검정색이 구현되지 않기 때문입니다. 색의 삼원색(왼쪽)과 빛의 삼원색(오른쪽) 이와 같이 청록색, 자홍색, 황색, 검은색을 다양하게 혼합하여 여러 색상을 표현하는 것이 미술 작품과 사진을 포함한 다양한 인쇄 분야에서 활용하는 색의 체계가 되는 것입니다. 하지만 근본적으로 백색은 어떠한 혼합으로도 표현할 수 없습니다. 색을 섞을수록 명도와 채도가 낮아지는 감산혼합이기 때문입니다. 빛의 삼원색 빛의 삼원색은 레드(Red) 적색, 그린(Green) 녹색, 블루(Blue) 청색으로, 이 3가지 색상의 광원을 혼합하여 다양한 색을 구현합니다. 색을 섞을수록 어두워지는 감산혼합과는 반대로 혼합할수록 밝아지므로 ‘가산혼합’이라고도 부릅니다. 가산혼합과 감산혼합은 서로 반대되는 개념으로 보색 관계에 있게 되어 근접 배치할 경우 시각적 구분이 상대적으로 더욱 명확해집니다. 빛의 삼원색은 그 근원이 빛 자체이기 때문에 가산혼합의 색상 체계는 광학 기기나 전자기기에 널리 사용됩니다. 예를 들면 TV나 컴퓨터 모니터, 스마트 기기의 디스플레이에서 주로 사용됩니다. LED와 같은 빨강...

세상을 환하게 비추고 우리의 눈으로 사물을 볼 수 있도록 해주는 빛은 현대 물리학에서도 빼놓을 수 없는 중요한 대상입니다. 이번 글에서는 빛의 속도가 유한한 상수 특성을 갖는다는 특수 상대성 이론과 우리 인간들이 현재와 미래를 바라보기보다는 과거를 볼 수밖에 없는 이유에 대해 알아보도록 하겠습니다. 빛의 특성 지난 글에서 빛은 다양한 파장을 가지고 있는 파동(Wave)의 특성을 보유하고 있으며, 다양한 물질을 지나가면서 굴절(Refraction)되고 분산(Dispersion)된다고 얘기하였습니다. 그 밖에도 다른 글에서 이야기할 간섭(Interference), 회절(Diffraction) 특성도 가지고 있으며, 근본적으로는 포톤(Photon)이라는 입자의 성질도 가지고 있습니다. 이번 글에서 얘기할 가장 중요한 빛의 특성은 그 속도가 일정하다는 것입니다. 진공에서 초속 30만 km, 조금 더 정확하게는 초당 299,792,458 미터의 속도로 항상 일정하게 이동합니다. 역사상 최고의 물리학자 아인슈타인 박사는 초고속으로 움직이는 광원에서 발사되는 빛의 속도도 일정하며 단지 시간이 변하는 것이라고, 특수 상대성 이론을 통해 이야기하였습니다. 진공에서의 빛의 속도인 초속 299,792,458 미터는 물리적으로 얻을 수 있는 가장 빠른 속도로, 이보다 더 빠른 속도는 불가능하며 관측 지점에 상관없이 일정한 값을 갖는 기본 물리 상수인 것입니다. 그러나 진공이 아닌 굴절률 n의 매질을 빛이 통과하는 경우 빛의 속도는 아래와 같이 변경됩니다.  v = c / n 여기서 v는 매질에서의 빛의 속도, c는 진공에서의 빛의 속도, n은 매질의 절대굴절률입니다. 앞에서 얘기한 바와 같이 빛의 물리적인 최대 속도가 진공에서의 속도이므로, 진공이 아닌 특정 매질의 n은 1보다 큽니다. 굴절률이 n인 매질을 통과하는 빛의 속도는 진공보다 느려지게 됩니다. 하지만 여기서도 감소할 뿐 일정한 상수라는 사실은 변함이 없습니다. 빛은 공간 왜곡이나 불균일함에 ...

자유 낙하 운동 고전 역학의 기본 항목 중에 하나인 자유 낙하 운동! 이번 글에서는 쉬운 듯하지만 실제 풀어보면 상당히 어려운, 하지만 매우 재미있는, 자유 낙하 운동을 하는 물체와 공기 저항을 받으며 낙하는 물체에 대한 운동 방정식을 자세히 풀어보도록 하겠습니다. 순수 자유 낙하 운동 방정식 공기 저항을 무시하면 공중에서 중력에 의해 지표면으로 자유 낙하하는 물체에 작용하는 힘은 중력 이외의 다른 힘은 없습니다. 따라서 물체에 작용하는 힘을 F, 물체의 질량을 m, 물체의 가속도를 a, 중력 가속도를 g라고 정의하면 운동 방정식은 아래와 같이 시작됩니다. F = m·a = m·g 양변을 질량 m으로 나누면 a = g 중력가속도 g는 이 경우에 상수이므로 이것을 시간 t에 대해 적분하면 속도를 얻을 수 있습니다. v = v o + g·t 다시 시간 t에 대해 적분하면 자유 낙하하는 물체의 높이 y에 대한 식을 얻을 수 있습니다. y = y o + v o ·t + 1/2·g·t 2 조금 더 간단히 하기 위해 초기 높이 y o = h, 초기 속도 v o = 0, 수직 방향으로 위쪽이 +y라고 가정하면 아래처럼 수직 방향에서의 물체 속도와 높이에 대한 방정식을 구할 수 있습니다. v = - g·t y = h - 1/2·g·t 2 위 식을 시간 t에 대해 아래처럼 정리할 수 있습니다. t = [ 2(h - y) / g ] 1/2 여기서 y = 0이라고 놓고 풀면, 물체가 자유 낙하하여 땅바닥에 떨어질 때까지의 걸린 시간 t는 t = (2·h/g) 1/2 가 되며, 그때의 속도도 아래와 같이 구할 수 있습니다. v = - g·t = - (2·g·h) 1/2 하지만 에너지 보존 법칙을 이용하면 조금 더 쉽고 간단하게 동일한 수식을 얻을 수 있습니다. 초기의 위치 에너지가 모두 운동 에너지로 전환되므로 물체의 에너지 E와 관련된 수식은 아래와 같이 정리됩니다. E = m·g·h = m·g·y...

간헐적으로 발생하는 우리나라는 물론 다른 나라의 지진에서도 볼 수 있듯이 그 영향력은 실로 대단합니다. 이번 글에서는 지진이 어떤 것이며, 그 원인은 무엇이고, 발생 시의 대응 요령에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 지진이란? 지진(Earthquake)은 지구 내부에서 발생한 에너지에 의한 파동이 지표면까지 도달하여 지반을 진동시키는 자연 현상입니다. 심하면 땅이 갈라지고 산사태는 물론 건물이 붕괴되고, 심지어 집채만 한 높이의 너울성 파도인 쓰나미까지 발생시키는 무서운 자연재앙이기도 합니다. 에너지가 최초 발생되어 파동이 생긴 지점을 진원(Focus)이라고 하며, 진원에서 지표면에 수직이 되도록 이은 선이 지표면과 만나는 지점을 진앙(Epicenter)이라고 합니다. 또한 진원과 진앙에서 관측지점까지의 거리를 각각 진원거리와 진앙거리라고 합니다. 지진의 진원과 진앙 지진의 원인 지진의 원인은 일반적으로 탄성반발설(Elastic rebound theory)과 판구조론(Plate tectonics) 두 가지 학설로 설명합니다. 탄성반발설 1906년 캘리포니아 대지진이 발생했을 때 미국의 과학자 레이드(H. Reid 1859~1944)가 산안드레아스 단층을 조사하면서 제기한 학설입니다. 지면에 단층이 존재한다고 가정할 때, 이 단층에 오랫동안 힘(탄성력)이 가해지면서 에너지가 축적되는데 어느 한계에 도달하면 특정 부분이 견디지 못하고 파괴되면서 지진이 발생한다는 이론입니다. 하지만 그러한 에너지 근원에 대한 설명을 하지 못하는 이론이기도 합니다. 판구조론 1912년 독일의 지질학자인 알프레드 베게너(Alfred L. Wegener)가 남미의 동부 해안선과 아프리카의 서부 해안선이 잘 들어맞는다는 사실을 근거로, 현재 지구의 지각은 약 2억 년 전에 판게아(Pangaea)라는 하나의 초대륙으로부터 갈라져 나왔다는 가설을 제시하였고 1960년대에 이르러 판구조론으로 발전하였습니다. 커다란 7개의 지각판인 북미판, 남미판, 유라시아판, 태평양판, 아...

반도체 회사인 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)의 엔지니어에 의해 개발된 DLP(Digital Light Processing) 기술은 DMD(Digital Micromirror Device)라 불리는 반도체 칩(Chip)이 핵심입니다. 이번 글에서는 DMD 칩과 DLP 디지털 광원 처리 기술의 기본 원리와 실제 응용에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. DMD (Digital Micromirror Device) 원리 DLP(Digital Light Processing)는 '디지털 광원 처리 기술'로, 1987년 텍사스 인스트루먼츠에 근무하던 래리 혼백(Larry Hornbeck) 박사가 개발하였습니다. 고화질의 깨끗한 영상을 지원하기 때문에 영상 프로젝터에 많이 활용됩니다. DMD 칩은 C-MOS 반도체 회로 위에 형성된 마이크로 미러(Micro Mirror, 미세 거울) 구조가 핵심인데, 간단히 도식화하면 아래의 그림과 같습니다.  마이크로 미러 즉 미세 거울의 동작을 제어하기 위해 미세 회로가 정밀하게 형성된 C-MOS 반도체 위에 14 마이크로미터(백만분의 1미터)에서 16 마이크로미터 크기의 사각 거울들이 1 마이크로미터 수준의 매우 좁은 간격으로 배열되어 있으며, 각 거울은 미세 회로에 의해 가해지는 전압에 의해 +/- 10도 정도 움직일 수 있습니다. 바로 이 미세한 크기의 거울 1개가 영상에서의 1개 픽셀(Pixel), 화소가 되는 것입니다. DMD 칩은 반도체 기술을 활용하여 만든 크기가 마이크로미터 수준인 초미세 광학 장치인 것입니다.  DMD 칩과 미세 마이크로 미러 DLP(Digital Light Processing) 원리 디지털 영상에서 핵심 변수는 빛의 삼원색인 RGB, Red(적색), Green(녹색), Blue(청색)와 픽셀(Pixel)이라 불리는 화소로 볼 수 있습니다. 각 화소에 할당된 RGB 빛과 그것들의 조합에 의해 최종 이미지를 볼 수 있는 것입니다. DLP의 원리도 동일하지만...

인터넷 동영상이나 블로그를 보면 조금은 복잡한 계산 문제를 간단하지만 이상한 방법으로 푸는 내용을 종종 볼 수 있습니다. 이번 글에서는 신비한 수학과 숫자 세계에서 정말 이상한 사례 몇 가지를 선정해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 홀 수 합계 간단히 구하기 아래와 같은 홀수 수열은 마지막 숫자가 몇 번째인지만 알면 일일이 더하지 않고도 제곱 값 암산을 통해 쉽게 그 합계를 구할 수 있습니다. 1, 3, 5 → 3 2  = 9 1, 3, 5, 7 → 4 2  = 16 1, 3, 5, 7, 9 → 5 2  = 25 1, 3, 5, 7, 9, 11 → 6 2  = 36 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 → 7 2  = 49 신비하고 이상해 보이지만, 수열의 합계를 구하는 방법만 잘 알고 있다면 손쉽게 분석하여 그 원리를 확인할 수 있습니다. 홀수 : 1, 3, 5, 7,..., 2n - 1 (여기서 n = 1, 2, 3, 4..... 양의 정수) 그런데 우리가 잘 알고 있는 수열 1, 2, 3, 4, 5,..., n에서 임의의 n까지의 전체 합계를 구하는 계산식이 n·(n+1)/2 이므로 임의의 n에 대한 2n -1까지의 홀수 합계는  2·n·(n+1)/2 - n = n 2  + n - n = n 2   가 되므로 n번째까지의 홀 수 합계는 결국 n의 제곱 값으로 쉽게 구할 수 있는 것입니다. 제곱 값 간단히 구하기 두 자리 숫자의 제곱 값을 몇 개 예를 들어 계산하면 아래와 같습니다. 13 x 13, 22 x 22, 34 x 34, 45 x 45, 53 x 53으로 직접 계산하거나 컴퓨터나 계산기의 제곱 함수를 이용하여 계산할 수도 있습니다.  13 2 = 169 22 2 = 484 34 2 = 1156 45 2 = 2025 53 2 = 2809 그런데 이 계산은 제곱을 의미하는 숫자 2를 활용하여 암산으로 손쉽게 하는 방법이 있습니다...

동력을 사용하는 기계 장치들의 성능을 이야기할 때 반드시 언급되는 항목이 마력과 토크입니다. 이번 글에서는 물리학적 관점에서 바라본 마력과 토크에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 토크 토크(Torque)는 물체를 회전시키는 효과를 나타내는 물리량으로, 다양한 기계 장치에서 매우 중요한 역학적 측정 항목입니다. 보통 단위는 kgf·m(= kilogram-force·meter, 킬로그램-포스·미터) 또는 간단하게 kg·m이라고 표현하기도 하지만, 국제단위계(SI)에서는 N·m(뉴턴·미터)를 사용합니다. 1 kgf·m는 회전축에 1 m 길이의 지렛대를 수직으로 달고 그 끝에 1 kg의 질량이 중력에 의해 가하는 힘을 작용시켰을 때 축에 발생하는 토크로, 약 9.8 N·m에 해당합니다. 1 kgf·m(킬로그램 포스·미터) 토크의 정의 kgf·m는 중력가속도 g(약 9.8 m/sec 2 )를 이용해 힘으로 환산할 수 있으며 1 kgf·m = [1 kg × 9.8 m/sec 2 ]·m = 9.8 N·m(= newton·meter, 뉴턴·미터)가 됩니다. 여기서 질량 1 kg인 물체에 가속도 1 m/sec 2 를 발생시키는 데 필요한 힘은 1 kg × 1 m/sec 2 = 1 N(= newton, 뉴턴)입니다. 만약 40 kgf·m의 토크를 갖는 장치가 있다면 SI 단위로 환산하면 약 392 N·m이 됩니다. 마력 먼저 마력에 대한 역사를 한 번 살펴보고 가겠습니다. 마력(Horsepower)은 약자 HP로 표시하며, 말이 일정 시간 동안 수행할 수 있는 일을 기준으로 제임스 와트가 제안한 일률의 단위입니다. 즉 단위 시간당 얼마나 많은 일을 할 수 있는지를 나타내는 물리량입니다. '말의 힘'을 의미하는 용어이지만 '힘'의 단위가 아니라 일률의 단위입니다. 1 HP는 약 746 W(와트)이고 746 J/sec(= joule/second, 초당 줄)와 동일합니다. 자동차에서 흔히 사용되는 미터법 마력은 독일 방식으로 약자 PS...

지금의 전기·전자 산업에 기초가 되었던 전자기 유도 법칙! 이번 글에서는 현대 과학 문명에 지대한 영향을 주었던 법칙 중 하나인 전자기 유도 법칙에 대해 자세히, 그러나 이해하기 매우 쉽게 알아보도록 하겠습니다. 전자기 유도 법칙 전자기 유도 법칙은 패러데이의 전자기 유도 법칙(Faraday's law of electromagnetic induction)이라고 합니다. 1831년 영국의 물리학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 철제 고리에 두 개의 코일을 감고 한쪽 코일을 배터리에 연결한 실험 등을 통해 자기 선속의 변화가 기전력을 발생시킨다는 사실을 밝혀낸 법칙입니다. ε = - dΦ / dt 미분 항목이 들어간 이 수식에서 t는 시간, ε는 기전력(전압, 단위 V)이고 Φ는 자기 선속(magnetic flux, 단위 Wb)으로, 일정한 면적을 통과하는 자기장의 총량을 나타냅니다. 따라서 자기장의 세기가 강할수록, 자기장이 통과하는 면적이 클수록, 그리고 자기장이 해당 면에 수직으로 통과할수록 자기 선속은 증가하게 됩니다. 이러한 자기 선속의 변화가 기전력을 일으킵니다. 렌츠의 법칙 자기 선속이 시간에 따라 변하면 기전력이 발생한다는 이 법칙에서 또 하나의 핵심 사항은 바로 마이너스 - 부호입니다. 이것은 1834년 독일계 러시아 물리학자였던 하인리히 렌츠(Heinrich Friedrich Emil Lenz)가 정립한 렌츠의 법칙입니다. 폐회로를 통과하는 자기 선속이 변하면서 유도되는 기전력과 전류는 그 변화를 방해하는 방향으로 형성된다는 법칙이며, 그래서 전자기 유도 공식에 마이너스 - 부호가 붙여진 것입니다. 아래의 왼쪽 그림과 같이 원형 전선에 막대자석의 N극을 접근시키면 흑색 화살표 방향의 자기장이 원형 전선을 통과하는 자기 선속을 변화시키면서 유도 전류가 발생합니다. 플레밍의 오른손 법칙을 적용하면 자기장의 방향과 도선의 운동 방향에 따라 유도 전류의 방향을 알 수 있는데, 이 경우에는 원형 전선에 반시계...