안녕하세요. 강상우 전문가입니다.
물리
Q. 핫팩의 원리는 무엇인지 궁금합니다.
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.요즘같이 추운 겨울날 따듯한 핫팩하나 간절하게 생각나는 날이지요?보통 핫팩의 원리는 산화하면서 발생하는 열을 이용합니다. 즉 곱게 갈린 철가루를 흔들면서 공기중 산소가 유입되어산화반응을 발생하는것입니다. 철가루를 입자를 곱게하여 표면적을 넓혀 반응능력을 극대화 한 방법이지요.사용하닥 공기가 차단된 팩에 보관할경우, 핫팩의 산화반응이 멈춰 좀더 오래 사용할수 있답니다.따듯한 겨울 보내세요.
지구과학·천문우주
Q. 지구가 자기력을 띄는 이유가 뭔가요?
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.움직이는 전하 또는 자기모멘트는 또 다른 움직이는 전하 또는 자기모멘트에 힘을 작용하는데 이 힘을 자기력이라고 한다. 막대자석 주위에서 나침반의 바늘의 N극이 막대자석의 S극을 향하도록 정렬하고 나침반의 위치를 바꾸어도 나침반의 바늘은 이 방향을 유지하도록 회전하는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 작은 자석인 나침반의 바늘에 자기력이 작용하기 때문이다. 전류가 흐르는 전선 주위에서 나침반의 바늘이 전선을 중심으로 하는 동심원을 그리며 일정한 방향을 유지하도록 정렬하는 현상 또한 자기력이 작용하기 때문이다.자기력을 받아서 움직이는 전하 또는 자기모멘트가 그 위치에 따라 받는 자기력이 달라지는 것을 나타내기 위해 자기장이라는 물리량을 정의하는데, 이 자기장은 크기와 방향을 갖는 벡터양이다. 자기장을 만드는 것은 주위에서 흔히 찾을 수 있는 영구자석 또는 전류가 흐르는 도선 등이 있다. 특히 전류가 흐르는 도선의 주위에 생기는 자기장의 크기와 방향은 비오·사바르의 법칙(Biot-Savart law)으로 구할 수 있다. 이 법칙에 의하면, 그림 1에 그려진 대로, 전류 가 흐르는 회로에서 원점에 놓인 아주 작은 전류 요소 이 만큼 떨어진 곳에 형성되는 자기장 을 수식으로 나타내면,전류가 흐르는 도선이 만드는 자기장의 크기는 전류의 크기에 비례하고 전류로부터의 거리의 제곱에 반비례하며, 그 방향은 오른손의 엄지를 전류 방향에 나란히 하고 도선을 감싸쥘 때 네 손가락이 가리키는 방향이 된다. 여기서 진공의 투자율이고,은방향의 단위벡터이다. 이 전류 요소에 의한 기여를 도선에 대해 적분하면 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장을 구할 수 있다.그림 1. 전류가 만드는 자기장자기장 안에서 움직이는 전하가 받는 자기력은 로런츠힘(Lorentz force)이라고 하며 국제단위계에서 아래의 식으로 주어진다.전하의 단위는 쿨롬(coulomb, 기호 C), 속도는 미터 매 초(m/s), 그리고는 테슬라(tesla, T)이며, 이렇게 얻어지는 자기력단위는 뉴턴(newton, N)이다.예를 들어 전류 가 흐르는 직선 도선 주위에 생기는 자기장을 비오·사바르의 법칙으로 계산해 보면, 도선까지의 수직 거리 인 지점에서의 자기장은 값에 반비례하고 전류의 세기 에 비례하는 자기장 이 생긴다. 이때 자기장의 방향은 오른손법칙으로 정해지며, 도선을 중심축으로 하는 동심원의 접선 방향이다.만약 두 번째 도선을 첫 번째 도선과 거리 만큼 떨어진 곳에 나란히 놓고 전류 를 흘려주면, 이 두 번째 도선의 길이 요소 이 받는 자기력은 로 주어지고, 이 요소를 첫 번째 도선 전체에 대해 적분한 것이 두 번째 도선에 작용하는 자기장이다. 그 결과 두 번째 도선은 단위 길이당 만큼의 자기력을 받는다. 자기력의 방향을 살펴 보면, 두 도선에 서로 평행한 방향의 전류가 흐르면 서로 끌어당기는 인력으로, 서로 반대 방향의 전류가 흐르면 서로 밀어내는 척력으로 작용함을 알 수 있다.[네이버 지식백과] 자기력 [Magnetic force] (물리학백과)
토목공학
Q. 방음벽의 방음 원리가 무엇인가요?
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.소음의 발생원인은 소리가 매질을통해 반대편으로 전달되기 때문이죠.흡음재는 바로 이 소리를 반대로 넘어가지못하게 막아주는 역할을 합니다.각흡음재바다 rW값이 다 다릅니다. RW값이랑 예를들어 10dB의 소음을 5RW값의 흡음재가 있으면 반대로 5dB 소리만 전달되게 되는거죠.이렇듯 생활소음 규정을 만족하기위하여 각종 흡음재를설치하여 지어지는 구조물들이 많이 있답니다.
생물·생명
Q. 불 색상이 파란색인 이유는 뭔가요?
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.빨간 불꽃은 우리 중 최약체지 불꽃의 색을 보고 온도를 알 수 있다는 점이에요. 불은 빨강-노랑-흰색-파랑 순으로 점점 뜨거워집니다. 별처럼 불도 빨간 색이 가장 ‘차가운’ 색이라니 재밌죠~ 불은 진한 빨간색일 때 600~800℃, 노란색일 때 1100℃, 흰색일 때 1300~1500℃, 그리고 가장 뜨거운 푸른빛일 때 1400~1650℃입니다.‘완전연소’에 가까울수록 불꽃은 푸른색을 띤다 파란 불꽃의 비밀은 바로 ‘완전연소’에 있습니다. 불꽃과 산소와 충분히 섞이면 연료가 끝까지 타는 완전연소가 일어납니다. 그리고 완전연소가 일어난 불꽃은 더 높은 온도의 푸른빛을 띕니다. 반대로, 산소가 충분히 연료와 섞이지 못하면 ‘불완전연소’가 일어나는데요. 나무나 종이 등을 태울 때 산소는 불꽃 바깥쪽에서만 불꽃과 섞이게 되고 안쪽은 잘 섞이지 않기 때문에 불완전연소가 일어납니다.
화학
Q. 물을 얼리면 크기가 더 커지는 이유는?
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.보통의 경우 물질의 부피는 고체이경우 가운데 공간이생기면서 액체 일때보다 부피가 커지게 됩니다.
전기·전자
Q. 불빛으로 벌레를 퇴치하는 장비는 어떤 원리를 이용하는건가요?
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.먼저 벌레들이 빛에 모이는 이유는 주광성 입니다. 빛으로 향한다면 양성 주광성인거지요.또한 벌레들은자외선을 좋아하게 됩니다. 위에 말씀하신 캠핑에 쓰는 그런 장비들은 포충기라고 할수 있습니다.벌레들을 유인해서 제거하는 거지요?? 반면 음성 주광성도 있습니다.빛을 피하는 성질인데요 바로 바퀴 벌레입니다. 바퀴벌레는 빛을 피해 구석구석 어두운 곳에 숨어있답니다.
생물·생명
Q. 밤에 산소를 생성시키는 식물이 있나요?
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.일반적으로 식물들은 새벽이 되면 기공을 열고 해가 지면 기공을 닫습니다. 그래서 밤이 되면 이산화탄소를 배출하게 되는 거지요.거꾸로 해가지면 밤에 기공을 여는 식물들도 있답니다.아나나스류,산세베리아,스투키,다육식물 등이있습니다. 이 식물들은 기공이 열리면 수분이 날아가 잎이 마르게됩니다.밤에 기공을 열어 산소와 수분을 배출합니다. 즉 이런 식물은 이산화탄소의 방출이 일반 식물의 반대로 진행되기 때문에 침실에 두거나 관엽식물과 함께 배치하면 야간 관엽식물의 호흡으로 발생하는 이산화탄소를 흡수합니다.그래서 보통 이사집에 스투키와 같은 식물을 집들이 선물로 하게 되는거지요?^^
기계공학
Q. 비행기 추락사고시 블랙박스는 어떻게 보존되는건가요?
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.항공기에 탑재하는 비행기록장치(Flight Data Recorder, FDR)와 조종실녹음장치(Cockpit Voice Recorder, CVR)를 넣어둔 금속박스를 뜻하는 통칭. 블랙 박스라고 부르는 것과는 달리, 일반적으로 사고시 찾기 쉽도록 붉은색이나 오렌지색을 띠고 있어서 한밤중의 바다에서도 발견할 확률을 높인다. 다만 초기에는 전파 반사를 차단하기 위해 진짜로 검은색을 띠고 있었다.강한 충격이나 높은 온도 그리고 수압에도 견딜 수 있는 구조로 튼튼하게 만들어져 있다.
생물·생명
Q. 껌은 무엇으로 만드는지 그 원리가 궁금합니다
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.껌은 원유 추출물 중 나프타를 원료로 하며 다양한 향신료가 가미돼요.(출처: 게티이미지뱅크)껌은 원래 치클 나무 수액을 굳혀서 씹던 것에서 유래했어요. 천연 껌을 대량으로 만들어 먹게 된 건, 원유를 증류해 분리한 ‘나프타’를 이용하게 되면서지요. 즉, 껌은 석유를 원료로 만든 음식이에요. 나프타에서 분해해 나온 에틸렌에 여러 반응을 시켜 껌 베이스를 만들고, 여기에 각종 향신료를 첨가하면 맛있는 껌이 탄생하게 되죠.포장지에서 막 뜯은 단단한 껌을 입에 넣고 씹으면 금세 말랑해져 질겅질겅 씹을 수 있어요. 그러다 찬 물을 마시면 다시 딱딱해지죠? 이는 껌이 유리와 같은 ‘비결정성 고체’이기 때문이에요. 고체는 구성 입자의 구조에 따라 결정성 고체와 비결정성 고체로 나뉘는데 입자들의 간격과 배열이 규칙적이면 결정성 고체, 불규칙적이면 비결정성 고체라고 해요. 결정성 고체에는 소금, 얼음 등이 있어요. 고체는 입자들의 결합이 끊어지면 액체나 기체가 되는데, 배열이 일정하면 결합을 끊는 데 필요한 에너지가 일정해요. 그 결과 녹는점이나 끓는점이 일정하지요. 그런데 껌, 플라스틱, 유리 등 비결정성 고체는 입자들의 배열이 불규칙적이기 때문에 입자 사이의 거리나 결합하는 강도가 일정하지 않아요. 그래서 열을 가하면 결합력이 약한 부분부터 끊어지며 점차 녹지요. 이렇게 점차 말랑해지는 걸 ‘연화’된다고 표현한답니다. 껌이 말랑말랑해지는 이유도 약하게 결합하고 있던 부분이 입 안 온도로 끊어졌기 때문이에요. 반대로, 찬물을 마시면 일시적으로 입 안 온도가 내려가 입자들이 다시 결합해 딱딱해지는 거랍니다.[네이버 지식백과] 껌 - 초등 3학년 1학기: 물질의 성질 (과학용어 따라잡기)
생물·생명
Q. 나무의 나이를 나이테 말고도 알 수 있는 방법이 있을까요
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.정원수나 숲나무에는 연륜연대학이 그다지 쓸모가 없다. 벌목되었거나 죽은 나무의 표본에서만 나이테를 셀 수 있어서다. 물론 다른 방법으로도 나무의 나이를 알 수 있다.침엽수의 경우, 적어도 생후 50년까지 나이를 가늠할 수 있다. 매년 봄 침엽수는 새로운 높이의 가지에 새싹을 틔우고 이 새싹에서 곁가지가 별 모양으로 돋아나면서 잎이 돌려나기(식물 줄기의 마디 하나에 세 개 이상의 잎이 바퀴 모양으로 나는 것)를 한다. 이 구조는 매년 한 층씩 늘어난다. 돌려나기 가지의 총 층수에 맨 위층 하나를 더한 것이 나무의 나이인 셈이다.침엽수는 매년 봄 ‘돌려나기 가지’가 돋아나와 한 층씩 올라간다. (출처: 《나무 다시 보기를 권함》(더숲))50세 이상인 나무의 가지에서는 돌려나기가 점점 흐릿해진다. 가지가 떨어지고 그루터기에서 나무줄기가 삐져나와 자라기 때문이다. 이런 경우, 돌려나기 잎차례가 시작된 맨 위층부터 시작하여 흐릿하여 잘 구분되지 않는 지점까지 가지가 몇 층인지 세면 된다. 이 길이는 나무 키의 절반 정도로, 위로부터 절반에 해당하는 지점까지 센 돌려나기 가지층의 수에 두 배를 하면 나무의 나이를 비교적 정확하게 알 수 있다. 하지만 이 셈법은 평생 빛을 충분히 받고 성장한 정원수나 공원수에만 적용할 수 있다.활엽수의 나이를 알려면 가지를 더 정확하게 관찰해야 한다. 침엽수처럼 활엽수 가지도 해가 갈수록 점점 길어진다. 또한 나이테처럼 가지에서도 영양 생장기 간 구분이 뚜렷하게 나타난다. 한편 많은 종의 나무가 매년 성장 각도를 살짝 변경한다. 각각의 표본을 관찰하면 곧게 자라지만 각도의 변화는 일정하지 않고 생장기 사이의 구분 지점에 아주 작은 테가 생성된다는 사실을 알 수 있다.