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자동차 실내의 햇빛 차단은 물론이고 멋진 외관을 마무리하는 틴팅은 차량을 구입하거나 강렬한 태양이 부담스러운 계절이 오면 많은 분을 고민하게 만듭니다. (보통 썬팅, 선팅으로도 불리지만 틴팅이 가장 정확한 표현입니다.) 틴팅의 가장 대표적인 지수는 투과율입니다. 투과율이 낮으면 자동차 윈도가 불투명해지면서 잘 보이지 않고, 반대로 투과율이 높으면 투명해집니다. 하지만 최적의 틴팅을 선택하기 위해서는 훨씬 더 복잡한 내용들까지 알아야 합니다. 이번 글에서는 틴팅을 선택하는 방법을 정말 간단하고 쉽게 설명하도록 하겠습니다. 햇빛의 특성 태양에서 방사된 햇빛은 우주 공간과 대기권을 거쳐 우리가 살고 있는 지구에 도달합니다. 이 햇빛은 다양한 파장과 에너지를 갖는 빛으로 구성되어 있습니다. 햇빛의 특성 먼저 우리 눈으로 볼 수 있고 일곱 가지 색깔로 대표되는 가시광선 VL(Visible Light)이 있습니다. 적색보다 파장이 길어 높은 투과율을 갖는 적외선 IR(Infrared)은 차단하기가 쉽지 않습니다. 반면 자외선 UV(Ultraviolet)는 자주색보다 파장이 짧고 흡수율이 매우 커서 차단하기가 아주 쉽습니다. 반사율, 투과율, 차단율 빛이 어떤 물질의 왼쪽에서 입사되면 내부에서 다중 반사가 일어나는데, 최종적으로 왼쪽으로 다시 돌아오는 빛이 반사되는 빛이며 오른쪽으로 통과하는 빛이 투과되는 빛입니다. 여기서 일부 빛은 물질 내부에 흡수되어 열에너지로 변환됩니다. 빛의 반사율과 흡수율, 투과율을 더하면 100%가 되어야 하며, 가시광선 투과율을 VLT(Visible Light Transmittance), 가시광선 반사율을 VLR(Visible Light Reflectance)라고 합니다. 반사율 투과율 차단율 반사율과 흡수율의 합이 차단율이 되며, 자외선 차단율을 UVR(Ultraviolet Rejection), 적외선 차단율을 IRR(Infrared Rejection)이라고 합니다. 자동차의 윈도 유리는 종류에 따라 차이가 있지만 일반적으로 ...

초전도체는 한때 우리나라에서도 깊은 관심을 가졌던 과학 기술로 요즘에도 가끔씩 뉴스에 등장하기도 합니다. 이번 글에서는 초전도체가 무엇인지 그리고 원리와 응용 분야에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 초전도체의 자기 부상 초전도체(Superconductor)의 발견 초전도체는 1911년 네덜란드의 물리학자 하이케 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)가 액체 헬륨 속 매우 낮은 온도에서 수은의 전기적 특성을 연구하던 중 발견하였습니다. 그는 켈빈(Kelvin) 온도 4.19 K(-268.96 °C)에서 수은의 전기 저항이 0으로 떨어지는 초전도 현상을 발견한 것입니다. (0 K = -273.15 °C) 물질의 전기 저항이 0이 되면 전류가 흐를 때에도 에너지 손실이 없기 때문에 당시에는 매우 획기적인 발견이었으며, 이후 많은 연구는 초전도 현상의 원리를 이해하고 동일한 성질을 갖는 다른 물질을 찾는 데 중점을 두었습니다. 초전도체 원리 일반적인 도체에 전류가 흐르는 경우 전자는 내부의 결정 격자와 불순물 등에 의해 수없이 산란되어 전기 저항이 발생하고, 결국 주울열(Joule Heating, P = I 2 R)에 의해 전력 손실이 생깁니다. 그러나 초전도체는 임계 온도(Critical Temperature) 이하에서 전기 저항이 0이 되어 에너지 손실 없이 전류가 흐르는 초전도성이 나타나며, 이에 대한 원리를 밝히기 위해 많은 과학자가 연구를 진행하였습니다. 마이스너 효과 (Meissner Effect) 1933년 발터 마이스너와 로버트 옥센펠트(Walther Meissner & Robert Ochsenfeld)가 발견한 마이스너 효과는 초전도체가 외부 자기장을 내부에서 밀어내는 완전 반자성 현상으로, 초전도체 위에 자석이 떠오르는 자기 부상의 원리가 됩니다. 쿠퍼 쌍 (Cooper Pairs) 존 바딘(John Bardeen), 레온 쿠퍼(Leon Cooper), 로버트 슈리퍼(Robert Schrieffe...

일본의 원전 사고와 오염수 방류 문제 이후에 항상 거론되는 것이 방사능입니다. 이번 글에서는 방사능과 방사선이 무엇인지, 왜 위험한지 그리고 방사성 동위원소나 핵분열, 핵폭탄과는 무슨 관련이 있는지 과학적으로 자세히 알아보도록 하겠습니다. 방사선 경고 표시 동위원소 (isotope) 방사능을 잘 이해하기 위해서 먼저 알아야 할 것이 바로 동위원소입니다. 동위원소는 원자 번호는 같으나 질량수가 서로 다른 원소 즉 양성자의 수는 같으나 중성자의 수가 다른 원소를 말합니다. 원자 번호: 원자핵에 있는 양성자 수를 의미합니다. 질량수: 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자 개수의 합입니다. 원자 번호 92인 원소, 우라늄을 예를 들어 설명하면 우라늄-235 (U-235) 원자 번호: 92 질량수: 235 중성자 수: 235 - 92 = 143 우라늄-238 (U-238) 원자 번호: 92 질량수: 238 중성자 수: 238 - 92 = 146 와 같이 중성자 개수가 3개 차이 나는 것을 알 수 있습니다. 이와 같이 동위원소는 동일한 양성자 수와 전자 배열을 가지므로 화학적 성질이 유사하나 중성자 수가 다르므로 원자핵 안정성과 같은 물리적 성질이 다릅니다. 그런데 여기서 정말 중요한 사실은 방사능을 띠는 원자핵은 모두 방사성 동위원소라는 것입니다. 방사선 경고 표시 방사성 동위원소 (Radioisotopes) 중성자 개수가 다른 동위원소 중에서 원자핵이 불안정하여 안정한 상태로 변화하면서 방사선을 방출하는 원소들을 방사성 동위원소라고 합니다. 여기서 방사능과 방사선은 상당히 다른 의미인데 자세히 설명하면 아래와 같습니다. 방사능 (Radioactivity) 방사능(Radioactivity)은 불안정한 원자핵이 자연적으로 붕괴하면서 방사선을 방출하는 성질을 말합니다. 이러한 현상을 방사성 붕괴(radioactive decay)라고 합니다. 이 과정에서 매우 큰 에너지가 방출되는데 방사선의 형태로 나타납니다. 방사선 (Radiation) ...

도플러 효과는 파동을 전달하는 음파나 전자기파의 주파수와 파장이 상대 운동에 의해 변하는 물리 현상으로 다양한 곳에 적용되고 있습니다. 이번 글에서는 도플러 효과를 집중 분석하고 공식 유도를 포함하여 역사, 원리, 사례와 적용에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.  도플러 효과의 발견 도플러 효과는 상당히 오랜 전인 1842년에 오스트리아의 물리학자 크리스토프 헨드릭 디데릭 바위스 발로트(Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot)에 의해 처음 발표되었습니다. 도플러는 이동하는 물체가 내보내는 파동의  주파수가 물체와 관찰자 사이의 상대적 속도에 따라 변화한다고 주장하였습니다. 그러나 도플러의 주장은 이론이었고 첫 번째 실험적 검증은 음파를 사용한 1845년 네덜란드의 과학자 보이스 발로트 의해 성공적으로 입증되었습니다. 그 후에도 많은 학자들의 다양한 실험과 관찰을 통해 세계적으로 인정받게 되었습니다. 과학적 원리 도플러 효과는 파동의 소스와 관측자의 상대 속도에 따라 파동의 주파수나 파장이 달라지는 현상으로 음파, 빛, 전자기파 등 파동의 성질을 갖는 다양한 물리량에 적용됩니다. 하지만 빛은 매질이 필요하지 않기 때문에 음파와 달리 특수상대성이론에 기반한 상대론적 도플러 효과로 설명합니다. 음파로 간단히 설명하면 음원이 관찰자에게 접근할 때 파동의 압축으로 인해 주파수가 증가하면서 더 높은 음으로 들립니다. 반대로 음원이 관찰자로부터 멀어질 때는 파동이 확장되어 주파수가 감소하고 더 낮은음으로 들립니다. 아래의 설명 이미지를 참조하시기 바랍니다. 빠르게 달리는 스포츠카나 비행기가 우리에게 가까워질 때와 멀어질 때의 소음이 달라지는 것이 바로 도플러 효과입니다. 도플러 효과 설명: 소스가 가까워짐(위), 소스 정지(중간), 소스가 멀어짐(아래) 공식 유도 도플러 효과 공식을 유도하는 과정을 아주 자세히 그러나 쉽게 설명하도록 하겠습니다. 파동의 소스가 이동할 때 파동의 소스가 정지했을 때의...

전기차는 뛰어난 성능과 다양한 장점을 가지고 있지만, 화재 사고와 충전 문제 등으로 구매를 고민하는 사람들도 많습니다. 이 번 글에서는 과연 전기차를 지금 구입하는 것이 올바른 선택인가에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 전기차의 특징 먼저 잘 알려진 전기차의 특징을 간단히 알아보고 가겠습니다. 엔진 자동차와 차별화되는 전기차의 가장 큰 차이점은 바로 동력원과 동력전달 시스템이 배터리와 전기 모터로 간소화된다는 것입니다. 전기차의 특징 이에 따라 차량의 공간을 효율적으로 넓게 활용할 수 있으며 소음이 감소하고 승차감이 향상됩니다. 움직이는 장치들이 줄어들어 차량 정비가 감소하고 무게 중심이 차량 하부에 위치하여 주행 안정성도 향상됩니다. 모델에 따라 전륜에 1개 후륜에 2개까지 장착되는 전기 모터는 일정하면서도 강력한 토크를 발휘합니다. 프리미엄 모델은 600마력과 100kg-m의 괴물 같은 토크로 3톤에 가까운 무게에도 4초 전후의 제로백 성능을 보이기도 합니다. 그동안 너무 짧았던 1회 충전 후 주행 가능 거리도 최근에는 모델에 따라 400~600km 이상 주행이 가능하며 일부 모델은 700km를 넘기도 합니다. 그러나 주행 가능 거리는 기온이 낮은 겨울철에 배터리 전기 화학반응이 약화되면서 크게 감소하는데 특히 히터 사용 시 급격히 감소합니다. 최근에는 배터리 히터와 히트펌프 등을 이용한 열관리 시스템이 적용되고 있지만, 추운 날씨에서는 주행거리가 감소하는 현상은 여전히 존재합니다. 배터리 충전 소요 시간은 아직도 긴 편으로 80% DC 급속충전의 경우에도 30분 전후 소요되며 AC 완속충전의 경우에는 10시간 이상 걸립니다. 흔히 집밥으로 불리는 가정용 완속 충전기 설치에는 일정 비용이 들며, 공동주택에서는 설치 여건에 따라 제약이 있을 수 있습니다. 또한 전기차용 정비소나 정비 인력이 부족하고 부품도 제조사의 정품만 쓸 수 있어 상대적으로 고가인 서비스를 받아야만 합니다. 전기차 배터리 하지만 가장 근본적인 문제는 바로 배터리에...

많은 학자들이 가장 위대하고 아름답기까지 하다고 칭송하는 오일러 공식! 이번 글에서는 오일러 공식이 우리의 과학 분야에서 차지하는 의미와 유도 방법에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 오일러 공식 오일러 공식 (Euler's Formula) 오일러 공식은 스위스 바젤에서 태어난 수학자이자 물리학자, 천문학자로 여러 분야에서 수많은 업적을 남긴 레온하르트 오일러가 복소수 지수함수와 삼각함수 사이의 관계를 정립하면서 그의 이름이 붙게 된 공식입니다. 오일러가 가우스, 탈레스, 아르키메데스 등과 함께 인류 역사상 가장 위대한 수학자로 칭송받게 한 대표적인 업적 중에 하나가 바로 이 오일러 공식이기도 합니다. 오일러 공식은 전혀 관련이 없을 것 같은 복소수의 지수함수와 삼각함수의 관계를 나타내는 매우 독특한 공식으로 오일러 항등식은 이 공식의 특수한 경우( x = π )를 말합니다. e i·x = cos x + i·sin x x = π 이면, e i·π = cos π + i·sin π = -1 e i·π + 1 = 0 오일러 공식의 의미 어떤 방정식이 가장 위대한가?라는 질문에 대해 수많은 학자들과 사람들이 맥스웰 방정식과 함께 오일러 공식이라고 대답하였습니다. 그 이유는 복잡하고 오묘하게 느껴지는 독특한 상수들이 포함되는 공식이지만 푸리에(Fourier) 변환 등의 이론 수학뿐만 아니라 파동방정식을 통해 광학, 양자역학 등 실용적인 과학 분야에도 광범위하게 활용되기 때문입니다. 양자역학의 평면파 해나 전자기파 표현에서는 복소 지수 형태가 자주 사용되며 대표적으로 Ψ = A · e i(k·x - ω·t) 와 같은 형식으로 나타낼 수 있습니다. 여기서 A는 진폭, k는 전파상수(Propagation Constant), x는 x좌표, ω는 각진동수(Angular Frequency)이며 t는 시간입니다. 오일러 공식에 포함되는 상수들을 살펴보면, 먼저 자연 상수 e는 자연상수 e는 자연로그의 밑으로 사용되는 중요한 무리수이...

승객의 안전과 직결되는 자동차의 브레이크는 정말 중요합니다. 그래서 기존 브레이크를 사비를 들여 업그레이드하는 분들도 많습니다. 그런데 정말 효과가 있을까요? 이번 글에서는 브레이크의 종류와 작동 원리 그리고 업그레이드에 대한 잘 못된 상식을 바로 잡도록 하겠습니다. 브레이크 종류 자동차의 브레이크는 크게 2종류로 볼 수 있습니다. 드럼 브레이크 드럼 브레이크는 반원 모양의 브레이크 슈와 패드가 유압 피스톤에 의해 바깥쪽으로 밀리면서 회전하는 드럼의 안쪽 면을 마찰시켜 제동 하는 방식입니다. 드럼 브레이크 저렴한 비용과 우수한 내구성의 장점이 있지만 제동력이 보통 수준이고 상대적으로 열 발산이나 정비가 어렵다는 단점이 있어서 일부 자동차의 후륜 브레이크에 적용되고 있어 이번 논의에서는 제외하도록 하겠습니다. 디스크 브레이크 디스크 브레이크는 유압 실린더와 피스톤에 의해 회전하는 디스크 양면에 수직으로 브레이크 패드가 밀착되어 제동 하는 방식으로 우수한 제동력 때문에 대부분의 차량에 장착되는 브레이크입니다. 디스크 브레이크 유압 피스톤과 실린더로 구성되는, 디스크 브레이크의 핵심 부품 중에 하나인 캘리퍼도 크게 2종류로 나뉩니다. 먼저 단동식(Single Acting) 또는 부동식(Floating)이라고 불리는 캘리퍼(Caliper)는 좌우로 이동 가능한 캘리퍼의 한쪽 피스톤이 패드를 디스크 한쪽 면에 밀착시키면 그 반동으로 반대쪽도 패드도 밀착되는 방식으로 구조적 한계는 존재하나 가성비가 매우 높은 캘리퍼입니다. 복동식(Double Acting) 또는 고정식(Fixed) 캘리퍼(Caliper)는 양쪽에 고정된 캘리퍼에서 돌출되는 각 피스톤이 패드를 동시에 디스크 양면에 밀착시키는 방식을 말합니다. 캘리퍼에 장착되는 실린더/피스톤의 개수에 따라서도 1P, 2P, 4P… 8P로 불리는데 더 많을수록 당연히 고가입니다. 아래 그림은 2P 단동식/부동식 캘리퍼 브레이크를 단순화한 모습입니다. 솔리드 타입의 디스크로터, 부동식 캘리퍼, 휠이 ...

전기차의 보급과 그 인기에 편승하여 요즘 자동차에는 다양한 안전 기능과 운전자 보조 기능이 기본 또는 선택 옵션으로 포함됩니다. 이번 글에서는 자동차 센서와 제어 시스템이 적용된 첨단 안전 기능과 운전자 보조 기능에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 전방 사고 예방 기능 전방 충돌 사고 예방은 레이더와 카메라 센서가 사용됩니다. 아래 상단의 이미지와 같이 운전자 부주의로 선행 차량의 감속이나 급정지를 인지하지 못하면 잔여 거리에 따라 경고, 브레이크 충격을 발생시키고 그래도 운전자가 제동을 하지 않으면 자동으로 차량을 제동 합니다. 전방 사고 예방 기능 또한 운전자가 전방 주시 태만으로 도로를 횡단하는 행인을 인지하지 못한 경우에도 위의 이미지와 같이 위험한 움직임을 사전에 감지한 전방 카메라 센서에 의해 경고를 주고 사고가 예상되는 긴급 상황에서는 자동으로 차량을 정지시킵니다. 차선과 속도 표지판 인식 기능 윈드실드 중앙에 위치한 전방 카메라로 촬영된 영상은 이미지 프로세싱을 통해 기준 데이터와 비교하여 형태를 인식합니다. 이를 통해 아래 그림과 같이 도로의 차선을 인식할 수 있어 주행 중 차선을 침범하거나 벗어나면 운전자에게 경고를 주거나 자동으로 조향을 조정합니다. 차선 인식 기능(위) 및 속도 표지판 인식 기능(아래) 동일한 원리로 위 그림과 같이 도로 주변에 설치된 속도 표지판 안의 제한 속도를 나타내는 숫자를 인식하여 차량 주행 조건에 자동으로 반영하기도 합니다. 사이드 어시스트 기능 후방 레이더 센서는 아래 그림과 같이 후측방에서 다가오는 차량을 사전에 감지하여 사이드 미러에 경고를 표시합니다. 아래 첫 번째 이미지를 참조하시기 바랍니다. 운전자가 후측방 차량 접근을 인지하지 못한 상태에서 차선을 변경하지 않도록 사이드 어시스트 기능과 연계됩니다. 도로에서 가장 빈번하게 발생하는 차선 변경 사고를 미연에 방지하도록 해 줍니다. 사이드 어시스트 기능 또한 위의 두 번째 이미지와 같이 차량 정차 후 운전자가 도로 방향으로 도어를...

이번 글에서는 자동차 틴팅의 투과율과 차단율에 대해서 조금 더 과학적으로 또 수학적으로 분석해 보도록 하겠습니다. 틴팅 선택을 고민하는 오너분들에게 큰 도움이 되리라 생각됩니다. 햇빛의 특성 태양광 즉 햇빛은 다양한 파장의 광선들로 구성되어 있습니다. 태양광의 에너지 분포는 아래의 그래프와 같으며 파장의 길이에 따라 크게 3가지 그룹으로 구분합니다. 태양광, 햇빛의 에너지 분포 자외선 가장 먼저 파장의 길이가 380nm 미만으로 짧은 UV 자외선인데 지구의 오존층에 거의 다 흡수되어 지표면에 도달하는 전체 햇빛의 약 5% 정도만 차지합니다. 자외선은 파장이 짧기 때문에 흡수가 매우 잘되며 강력한 에너지로 사람의 피부나 물체 표면을 손상시킵니다. 그러나 자외선은 상대적으로 차단하기 쉬워서 자외선 차단율 UVR(UV Rejection)은 일반유리도 ~40% 수준이고 합성수지 필름에 염료를 첨가하여 만드는 저가 틴팅조차도 99% 수준의 UVR을 갖습니다. 문제는 자외선을 견뎌내는 내구성이 관건입니다. 가시광선 다음은 빨주노초파남보 우리 눈에 보이는 가시광선 VL이고 380nm 보라색에서 780nm 빨간색까지의 광선이며 햇빛에서 차지하는 비율은 40% 수준입니다. 가시광선은 눈에 보이면서 자외선과 적외선 중간적 특성을 갖습니다. 가시광선 투과율 VLT(VL Transmittance)는 낮을수록 어둡게 보이고 100%가 되면 투명하게 보이는데 틴팅 필름은 합성수지에 카본을 첨가하여 조절합니다. 가시광선 반사율 VLR(VL Reflectance)은 100%에 가까울수록 거울과 같이 변하며 보통 금속 코팅을 활용합니다. 틴팅의 투과율과 반사율을 말할 때 보통은 눈에 보이는 기준인 VLT와 VLR을 의미합니다. 특히 몇 %짜리 틴팅인지 얘기할 때는 VLT를 지칭하는 것입니다.  적외선 마지막으로 780nm 보다 긴 파장의 IR 적외선이고 햇빛에서 차지하는 비율은 가장 큰 55% 수준입니다. 적외선 보다 긴 파장에는 전자제품에 응용되...

댐퍼는 일반 기계 장치에서는 물론 자동차에서도 매우 중요한 부품입니다. 자동차의 주행 안정성과 승차감을 결정하는 서스펜션에 포함되기 때문입니다. 이번 글에서는 댐퍼의 작동 원리와 어떻게 자동차 서스펜션에 적용되는지 자세히 알아보도록 하겠습니다. 댐퍼(Damper)란? 댐퍼는 진동 에너지를 흡수하는 장치로 일반적으로 제진기, 흡진기라고도 부릅니다. 열고 닫는 도어의 충격 감소 용도 등으로 수많은 기계 장치에 사용되지만 자동차의 서스펜션(Suspension)에도 사용됩니다. 유사한 장치인 완충기(Bumper)는 보통 최초 충격에 대해서만 완화하는 기능을 발휘하지만 댐퍼는 그 뒤에 발생하는 연속적인 진동까지 줄여 줍니다. 만약 자동차의 서스펜션에 댐퍼 없이 스프링만 장착되어 있다면 운전자와 승객은 도로의 요철을 통과한 후에도 한참 동안을 진동에 시달려야 하는 것입니다. 이렇게 유용한 댐퍼는 자동차뿐만 아니라 자전거, 오토바이, 철도 차량, 비행기와 같이 바퀴와 몸체를 서스펜션으로 연결하는 모든 운송 차량에도 적용됩니다. 댐퍼의 작동 원리 아래의 왼쪽 그림이 대표적인 댐퍼의 구조와 작동원리를 보여주고 있습니다. 댐퍼의 상하에 충격이 발생할 경우 내부에 채워진 오일이 저항하기 때문에 피스톤은 즉각적으로 움직이지 못합니다. 오일이 가득 들어있는 실린더 안에 피스톤이 상하로 움직일 수 있도록 되어 있는데 피스톤에는 오일이 통과할 수 있는 작은 구멍이 형성되어 있습니다. 충격을 받은 쪽의 실린더 압력은 감소하고 반대쪽 실린더 내부의 압력이 증가하면서 압력 차이가 발생하므로 평형을 이루기 위해서는 피스톤의 작은 구멍을 통해 오일이 천천히 이동하게 됩니다. 이 댐퍼에 아래의 오른쪽 그림과 같이 강선을 코일처럼 나선형으로 감아 만든 코일 스프링(Coil spring)이 결합되면 충격 후 스프링 복원력에 의해 다시 반대 방향으로 피스톤이 움직이려고 하지만 오일의 저항으로 바로 움직이지 못하고 작은 구멍으로 이동한 오일만큼 천천히 이동하게 됩니다. 결국 이러한 과...

터보 엔진은 다운사이징 트랜드로 인해 디젤 엔진 차량은 물론 가솔린 차량에도 폭넓게 적용되고 있습니다. 이 번 글에서는 터보의 원리와 특성, 장점과 단점, 왜 자동차에 사용하는지 그 이유에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 터보의 특성 터보는 터보차저(Turbocharger)를 간단하게 줄여서 사용하는 말로 원래는 터빈(Turbine)과 슈퍼차저(Supercharger)를 합성한 단어입니다. 엔진의 동력을 사용하여 터빈을 돌리는 슈퍼차저와는 다르게 터보는 배기가스의 에너지로 터빈을 돌려서 그 힘으로 공기를 압축하고 엔진에 주입하여 성능을 높이는 방법입니다. 배출 가스에 의해 고속으로 돌아가는 블레이드(Blade)와 터빈에 직접 연결된 컴프레서(Compressor)가 흡입된 공기를 압축하여 엔진의 실린더로 보내는 것이 핵심입니다. 모든 내연기관에서 필연적으로 발생하는 배출가스의 열과 압력을 이용해 터빈을 돌리기 때문에 다른 어떤 방식 보다도 효율이 좋은 방식입니다. 터보 차저의 원리 터보 엔진 자동차 원래 터보엔진은 무거운 동체가 양력을 받을 수 있도록 고출력이 필요한 항공기 엔진에 사용된 기술이었지만 고압에서의 자연발화로 동력을 얻는 디젤 자동차 엔진에 확대 적용되었습니다. 그런데 환경오염 문제와 탄소 배출 제약으로 인한 다운사이징 엔진이 전 세계적으로 유행하면서 가솔린 자동차의 엔진에도 광범위하게 적용되었습니다. 하지만 고압으로 인해 온도가 너무 올라가면 성능에 역효과가 발생하므로 인터쿨러(Intercooler)라는 중간 냉각기를 사용하여 압축된 공기의 온도를 낮추어 주는 경우도 많습니다. 모든 차량의 제원 중에 압축비라는 것이 있습니다. 엔진의 연소실 체적에 대한 실린더 전체 체적의 비로 주입된 공기와 연료의 혼합가스가 얼마나 압축된 후 폭발하는 지를 나타냅니다. 일반 가솔린 승용차의 압축비가 9에서 10 정도 수준이고 F1 경주용 자동차가 12에서 13으로 다소 높은 값을 가지며 디젤 엔진이 16 전후로 매우 높은 값을 갖습니다. 그러나 터...

수많은 투자와 재테크에 관련된 강의나 서적에 반드시 거론되는 복리! 이 번 글에서는 복리의 엄청난 효과와 수학적으로 유도되고 증명된 법칙은 아니지만 기업 분석이나 재테크, 노후 설계에 매우 유용하게 활용할 수 있는 72법칙에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 복리 효과 복리는 원리금에 붙은 이자를 합한 금액에 다시 이자가 붙어 즉 이자에 이자가 연속적으로 붙어 결과적으로 원금보다 많은 금액을 만드는 효과로 많은 투자자들이 강조하는 개념입니다. 실제로 복리 계산 방법은 간단하지 않고 다소 복잡한 수식인  복리 총액 = 원금 + 이자 = 원금 x (1 + 이율) n  으로 계산됩니다. 여기서 n은 기간이 됩니다. 이율이 같더라도 단리 총액 = 원금 + 이자 = 원금 x (1 + n x 이율) 보다 금액이 크며 맡긴 기간이 길수록 그 차이는 기하급수적으로 증가합니다. 예를 들어 100 만 원을 4년간 연 5%의 복리 상품에 투자한다면 4년 뒤에 받을 수 있는 총금액은 100 x (1 + 0.0.5) 4 으로 계산되어 121만 5506원이 됩니다. 그러나 10년을 복리로 맡긴다면 162만 8895원까지 총금액이 증가하고 15년의 경우에는 원금의 두 배가 넘는 207만 8927원을 받을 수 있습니다.  72법칙 이러한 복리 계산 방법은 금액이 커지고 기간이 늘어나면 복잡해질 수밖에 없으며 전자계산기를 필요로 하게 됩니다. 그런데 이러한 복잡한 수식의 복리를 아주 간단하게 만들어주는 법칙이 있는데 그것이 바로 72법칙입니다. 숫자 72를 연 복리 %로 나누면 복리에 의해 총금액이 원금의 두 배가 되는 기간을 구할 수 있다는 법칙입니다. 예를 들면 3%의 복리의 경우 원금의 두 배가 되는 기간은 72 / 3 = 24 로 24년 뒤에 총금액은 원금의 2배가 됩니다. 이 법칙은 세계적인 물리학자 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이 ‘복리야말로 인간의 가장 위대한 발명’이라고 말하면서 제시하였습니다. 72법칙을 제시한 세계적...

자연의 이치와 물리 법칙은 알면 알수록 놀랍고 신기합니다. 이 번 글에서는 우리가 일상생활에서 매일 듣고 있는 소리, 음파에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 소리의 특성 우리가 귀로 듣고 있는 소리는 물리적 용어로 음파(音波, Sound Wave)라고 하며 매질을 통해 그 내부에 발생되는 압력 혹은 스트레스가 진동하며 전파되어 나가는 파동으로 정의할 수 있습니다. 소리의 물리적 특성을 이해하는 데 가장 중요한 용어가 바로 파동인 것입니다. 우리가 생활하는 공간은 공기가 둘러싸고 있으므로 이때의 매질은 공기가 되며 물속에서 소리를 들을 때는 물이 매질이 되는 것입니다. 따라서 진공 상태로 매질이 없는 우주공간에서는 소리가 전파되거나 전달되지 못합니다. 우리에게 잘 알려져 있듯이 공기 중에서 소리가 전파되는 속도는 초속 340 미터입니다. 파동이란? 파동(Wave)을 간단히 정의하면 어떤 한 곳의 에너지가 흔들림을 통해 다른 곳으로 전달되는 현상을 말합니다. 가장 이해하기 쉬운 예가 잔잔한 연못에 돌을 던지면 물의 표면에 파문이 사방으로 퍼져나가며 물결파가 만들어지는데 이와 같은 물리적 현상이 파동인 것입니다. 파동 특성을 갖는 음파 즉 소리는 파장(Wavelength)과 진동수(Frequency), 전파속도와 진폭(Amplitude)으로 간단히 설명할 수 있습니다. 특히 진동수는 주파수라고도 말합니다. 아래의 그림과 같이 1차원 공간에서 파동을 사인 곡선으로 표시할 수 있는데 반복되는 형태의 가장 작은 단위에 해당하는 길이를 파장 λ라고 하고 가운데를 중심으로 위, 아래로 변화하는 크기를 진폭 A라고 합니다. 공기 중에서 소리의 전파속도 V는 일정하게 초속 340 미터이므로 소리의 진동수 υ는 속도 나누기 파장 즉 V / λ 로 구할 수 있습니다. 파장과 진동수는 반비례 관계에 있어서 파장이 크면 진동수가 낮아지고 반대로 파장이 작으면 진동수는 높아집니다. 또한 진동수가 낮은 소리는 저음이며 진동수가 높은 소리가 고음입니다. 일상생활에...

탄성 충돌의 문제는 고전 역학으로도 쉽게 풀어볼 수 있습니다. 이번 글에서는 운동량 보존의 법칙과 에너지 보존의 법칙 그리고 운동 방정식을 활용하여 두 물체의 탄성 충돌 전후의 거동에 대해 물리적으로 분석해 보겠습니다. 두 물체의 탄성 충돌 당구공과 같이 단단하여 반발계수가 1이고 무게 m1, m2인 물체 1, 2가 직선운동 중입니다. 물체 1은 오른쪽 +방향으로 운동하며 속도가 V1이고 물체 2는 왼쪽의 -방향으로 운동하며 속도가 V2라고 할 때 두 물체가 정면으로 탄성 충돌을 한다고 가정합니다. 두 물체의 1, 2의 탄성 충돌 전후의 운동 정면충돌 후에 두 물체는 각각 새로운 속도 V 1 ’과 V 2 ’으로 운동하게 됩니다. 물리학 법칙인 충돌 전후의 운동량 보존법칙과 에너지 보존법칙을 적용하여 풀면 탄성 충돌 후 속도 V 1 ’과 V 2 ’을 구할 수 있습니다. 운동량 보존법칙 m 1 ·V 1 + m 2 ·V 2 = m 1 ·V 1 ' + m 2 ·V 2 ' 에너지 보존법칙 1/2·m 1 ·V 1 2 + 1/2·m 2 ·V 2 2 = 1/2·m 1 ·V 1 ' 2 + 1/2·m 2 ·V 2 ' 2 1식과 2식을 풀면 충돌 후 각 물체의 속도는 아래와 같이 구할 수 있습니다. V 1 ' = (m 1 - m 2 ) / (m 1 + m 2 )·V 1   +  2·m 2 / (m 1 + m 2 )·(-V 2 ) V 2 ' = 2·m 1 / (m 1 + m 2 )·V 1   +  (m 2 - m 1 ) / (m 1 + m 2 )·(-V 2 ) 수식이 조금 복잡하니 이해하기 쉽고 간단하게 두 물체의 충돌 전 속도가 V 0 로 동일하고 m 1 이 m 2 의 2배라고 가정하면 V 1 = V 2 = V 0 m 1 = 2·m 2 가 되므로 충돌 후 각 물체의 속도 V 1 '와 V 2 '은 훨씬 더 간단해집니다. V 1 ′ = -1/3·V 0 V 2 ′ = +5/3·V ...

우리가 맑은 날에 실외에 나가면 따뜻한 이유는 햇빛 때문입니다. 낮만 되면 우리가 항상 마주하는 햇빛! 이번 글에서는 햇빛의 물리적 특성에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 햇빛의 구성 갑자기 날씨가 흐려져 소나기가 온 뒤 구름이 살짝 걷히고 해가 다시 뜨면 맞은편에 만들어지는 일곱 색깔 무지개를 모두 몇 번씩은 보셨을 겁니다. 햇빛을 구성하고 있는 다양한 빛 중에 우리 눈에 보이는 가시광선(Visible Light)이 공기 중의 작은 물방울들에 의해 분산(Dispersiom) 되어 빨주노초파남보 7가지 색으로 보이게 되는 것입니다. 분산은 각 빛이 파장에 따라 굴절율이 달라지면서 공간적으로 분리되는 현상인데 추 후 별도 글에서도 설명할 기회가 있을 것입니다. 이와 같이 햇빛은 한 가지 빛이 아닌 여러 가지 파장의 빛, 즉 광선으로 구성되어 있는 복합광인 것입니다. 햇빛의 파장에 따른 에너지 분포 파장에 따른 빛의 특성 가시광선 햇빛의 파장에 따른 에너지 분포를 그래프 표현하면 아래와 같은데 먼저 앞에서 무지개로 설명드린 가시광선은 우리의 누을 통해 직접 볼 수 있는 광선입니다. 보라색 빛이 380nm의 가장 짧은 파장을 가지고 있고 빨간색이 780nm로 가장 긴 파장을 가지고 있습니다. 여기서 nm는 나노미터(Nano Meter)로 10억 분의 1 미터의 크기를 말합니다. 나머지 빛들의 파장은 380nm~780nm 사이의 값을 갖게 되며 전체 햇빛 에너지의 40% 정도를 차지하나 계절이나 지구상에서의 위치에 따라 그 값은 다소 달라질 수 있습니다. 자외선 그다음 설명할 빛은 자외선(Ultra-violet Rays)인데 보라색보다 짧은 파장 즉 380nm 보다 파장이 짧은 빛을 의미합니다. 파장이 짧기 때문에 우리 눈에는 보이지 않으나 상대적으로 흡수가 매우 잘 되는데 에너지가 높아 물리적, 화학적 손상과 변형을 일으키므로 사람의 피부나 물체 표면에 아주 해롭습니다. 그래서 살균 장치에 사용되기도 합니다. 다행스럽게도 오존층에서 대부분...

물리 법칙은 관련된 공식만을 생각한다면 따분하지만 일상생활과 연계하여 그 원리를 생각하면 나름 재미있습니다. 이 번 글에서는 일상생활에서의 물리, 원심력에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다. 원심력 원운동 하는 물체에 작용하는 힘을 구심력이라고 하는데 중심으로부터 일정 거리에서 회전하도록 물체를 잡아주는 힘이기 때문입니다. 원심력은 이 구심력과 크기는 같지만 방향이 반대인 즉 물체가 중심으로 밖으로 멀어지려는 힘이며 아래의 그림과 같이 원심력 F는 물체의 질량 m과 속도 v의 제곱에 비례하며 회전반경 r에 반비례합니다. 이 원심력을 실제로는 존재하지 않는 힘이라고 하는데 그 이유는 물체에 가해지는 실제 힘은 구심력이고 이에 의해 원운동을 하는 것인데 매 순간 관성의 법칙에 의해 물체는 원 궤도의 접선 방향으로 직선운동을 계속하려고 합니다. 구심력은 지름 안쪽 방향으로 작용하므로 직각을 이루는 접선 방향으로는 어떤 힘도 작용하지 않기 때문입니다. 그러나 순간적으로는 마치 물체에 지름 바깥 방향으로 힘이 작용하는 것처럼 느껴지는 것입니다. 원운동하는 물체에 작용하는 구심력과 원심력 직선 운동을 하려는 물체에 원궤도를 유지하도록 당기는 힘인 구심력이 가해지는 순간 마치 중심에서 멀어지려는 반대 방향의 힘이 물체에 작용하는 것처럼 느껴지는 것입니다. 다시 말하면 원운동 하는 물체에 가해지는 힘은 구심력이며 원심력은 그에 따른 관성 효과인 것입니다. 일상에서의 원심력 구심력의 관성 효과로 발생하는 이 원심력도 우리 일상생활에 많이 활용되고 또 자연스럽게 일어나고 있는 현상입니다. 우리에게도 잘 알려진 장치인 화학분석이나 바이오 의약 산업에 사용되는 원심분리기도 원심력이 질량에 비례하는 물리 현상을 이용하는데 초고속 회전을 통해 여러 성분으로 구성된 복합 용액을 비중에 따라 분리, 추출하는 것입니다. 다양한 기기의 GPS와 기상 분석에 사용되고 해외 방송을 볼 수 있도록 해주며 군사 정보 수집용으로도 활용되는 인공위성! 대기권에 떠 있는 수많은 이 인...

우리의 일상생활에서 수많은 물리현상들이 일어나고 있고 우리는 또 그러한 물리 현상들을 활용하며 살아나가고 있습니다. 대표적인 것이 마찰력입니다. 이 번 글에서는 마찰력이 무엇인지 물리적 관점과 실생활에서 지혜롭게 활용하는 관점으로 자세히 알아보도록 하겠습니다. 마찰력이란? 한 물체가 어떤 바닥면에 놓여 정지해 있을 때 관성 법칙(정지한 물체는 계속 정지해 있으려고 하는 현상) 이외에도 우리가 이 물체를 움직이려고 하면 방해하는 힘이 있습니다. 바로 물체와 바닥면 사이에 발생하는 마찰력입니다. 이 마찰력은 물체와 바닥면 사이의 마찰계수 μ(뮤)와 물체가 바닥면에 수직으로 가하는 힘, 즉 수직 항력 N의 곱으로 나타냅니다. 결국 수직 항력은 물체의 무게 mg 가 됩니다. 마찰력 공식과 설명 우리의 상식과 잘 맞지 않는 부분은 바로 접촉 면적이 커지면 함께 비례해서 마찰력도 커질 것처럼 생각되지만 실제로는 면적과는 무관하다는 것입니다. 마찰력은 오로지 접촉하는 물체와 바닥면 사이의 마찰계수와 물체의 무게에만 비례하는 것입니다. 여기서 m은 물체의 질량, g는 중력가속도입니다. 마찰계수의 종류 또한 마찰계수는 두 종류인데 정지한 물체가 움직이기 직전까지의 마찰계수를 정마찰 계수, 움직인 이후의 마찰계수를 동마찰 계수라고 합니다. 같은 물체와 바닥면이라도 항상 동마찰 계수는 정마찰 계수보다 작기 때문에 일단 미끄러진 물체의 마찰력은 정지해 있을 때의 마찰력에 비해 급격히 감소하게 됩니다. 이와 같이 동마찰 계수가 작아지는 물리 현상을 방지하여 자동차의 제동 장치에 적용한 것이 바로 이어서 설명할 ABS (에이비에스)입니다. 생활 속의 마찰력 ABS 급제동에 의해 타이어가 노면에서 미끄러지면 마찰력이 급격히 떨어지면서 더 이상 바퀴는 회전하지 않고 조향이 되지 않는, 심각한 교통사고로이어질 수 있는 현상이 발생합니다. 이러한 바퀴 잠김(Lock)을 방지하기 위해 운전자가 브레이크 페달을 한 번 밟더라도 자동으로 브레이크 ON과 OFF를 반복(1초...