안녕하세요 백대균 전문가입니다.
Q. 비가 오는 것은 어떤 현상 때문인가요?
안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.비가 오는 원리는 간단합니다. 강물과 바닷물 그리고 비가 온 후에 아스팔트와 땅 등 거의 모든 곳에서 물이 하늘로 증발합니다. 햇빛이 나면 더 많이 증발합니다. 증발한 물은 공기속에 있는 데, 공기 중에 수분이 얼마나 많은 지가 습도 입니다. 이 습도는 공기의 온도가 낮아지면 습도가 100% 이상이 되면 작은 물방울이 되는데, 공기가 하늘로 높이 올라갈 수록 온도가 떨어지니까 자연적으로 습도가 100% 이상이 되어 작은 물방울, 즉 구름이 되는 것입니다. 구름이 많이 생기고, 즉 작은 물방울이 많이 생기면 서로 부딪혀 큰 물방울이 되어 무게를 이기지 못해 땅으로 떨어지면 비가 됩니다.비가 많이 오기 위해서 고온 다습한 공기가 하늘로 올라가거나, 또는 고온 다습한 공기가 하늘에 찬공기를 많나면 작은 물방울, 즉 구름이 잘생깁니다. 초여름철 남태평양 바다에서 고온 다습한 온도가 우리 나라 상공으로 많이 들어오고, 또한 북쪽에서는 찬공기가 우리 나라 상공으로 많이 옵니다. 우리 나라 하늘에서 북쪽의 찬공기가 오고, 남쪽에서는 고온 다습한 공기가 와서 서로 만나서 많은 구름이 생기고 많은 비가 내립니다. 이 현상을 특히 장마라고 합니다. 한 여름에는 우리 나라 강과 땅에서도 고온 다습한 공기가 하늘로 올라가서 소나기가 많이 옵니다. 사막의 형성과정그림 1에서 보는 것처럼 지형에 따라서 비가 많이 오기도 하고, 적게 오기도 하는데 고온 다습한 온도가 높은 산을 타고 올라가거나 산맥을 타고 올라가면 산정상으로 가면서 온도가 떨어지면서 구름이 되어 많은 비가 옵니다. 높은 산과 산맥에서 비를 뿌리고 넘어온 공기는 수분이 없고, 또한 산을 넘어 공기가 산 아래로 내려가므로 온도가 높아지므로 습도가 낮아져서 매우 건조한 공기가 들판으로 옵니다. 이런 지역에서는 일년내내 건조한 공기가 와서 비가 전혀오지 않아 사막이 됩니다. 즉, 사막지역에서는 공기가 높은 곳에서 내려와서 공기 온도가 높고 수분은 적어 습도가 매우 낮아 땅이 메마르게 되는 것입니다.
Q. 빗속에서의 수막현상 이 궁금합니다?
안녕하세요. 백대균 공학박사 과학전문가입니다.우리가 신발을 신고 걸어가면 신발과 바닥면에 마찰이 생기고, 미끄럼이 발생하지 않으면 이 마찰력이 반력으로 작용하여 걸어갑니다. 만약 얼음위에서 걷는다면 신발과 얼음사이에 눈에 보이지 않는 아주 소량의 물들이 윤활을 일으켜 미끄럼이 발생하여 앞으로 나아가지 못하고 미끄러집니다. 이렇게 두 물체가 상대운동을 접촉할 때 마찰이 발생하는데 우리가 걸을 때와는 반대로 마찰을 없애고 잘 미끄러져야 하는 경우에 액체의 윤활유를 사용합니다. 스케이팅도 스케이트 날과 얼음사이에 물이 윤활을 일으켜 미끄러지는 현상입니다. 마찰에서 고체와 고체가 만나면 미끄러지지 않고 반력이 생겨 서로 밀어내는 힘이 발생합니다. 마찰에서 고체와 고체사이에 작은 가루나 유체가 있으면 서로 만나는 면에 일부는 고체와 고체가 만나고 일부는 고체와 고체사이에 가루나 액체가 존재하여 미끄럼이 발생합니다. 우리가 모래가 많은 길을 걷거나 물이 있는 곳을 걸을 때 신발과 바닥사이를 확대해 보면 일부면에서 모래나 물이 윤활을 일으켜 미끄럼이 발생합니다. 고체끼리의 마찰보다 윤활이 더 많아지면 걷다가 미끄러지게 됩니다.자동차도 마친가지입니다. 비가 오지 않는 날에는 아스팔트와 타이어 사이에 마찰이 생기고, 마찰력으로 차가 미끄러지지 않고 달립니다. 그러나 비가 오면 타이어면과 아스팔트 사이에 물이 윤활 작용을 하는데 타이어와 아스팔트의 마찰이 타이어와 물의 윤활보다 더 크면 미끄러지지 않고 나아갑니다. 만약 차의 속도가 빨라지고 비가 많이 오면 타이어와 아스팔트 사이에 수막이 형성되어 타이어면과 아스팔트가 닿지 않고 중간에 물의 얇은 층이 형성되어 타이어가 미끄러집니다. 이 현상을 수막이라고 하는데 비가 많이 내려 물의 양이 많을 수록 타이어의 회전속도 즉, 차의 속도가 빠를 수록 수막이 잘 형성됩니다. 특히 차의 속도가 수막 형성에 결정적인 역할을 하므로 비가 많이 오면 차의 속도를 낮추어야 합니다. 직진할 때는 수막현상으로 미끄러짐이 큰 문제가 되지 않을 수 있으나, 커브길에서는 수막현상으로 차가 미끄러져 차도에서 차가 벗어나므로 굉장히 워험합니다. 고체와 고체사이에 유체가 있을 때 윤활현상위의 그림 1에서 보는 것처럼 고체와 고체사이에 유체가 있을 때 세가지로 분류됩니다. 일반적인 빗길에서 운전은 경계윤활로 미끄럼보다는 마찰이 더 큰 상태입니다. 비의 양이 많아지고 차의 속도가 빨라지면 혼합윤할이 되어서 차가 미끄러질 확율이 높아집니다. 이론적으로 타이어와 아스팔트 사이에 수막이 완전히 형성된 상태는 유체윤활입니다. 그러나 실제는 유체윤활까지 가기전에 혼합윤활에서 차가 미끄러질 것입니다.
Q. 수력, 화력발전소의 원리가 궁금합니다.
안녕하세요. 백대균 기계공학박사 과학전문가입니다.1. 수력발전소 운영원리수력발전소는 댐의 높은 곳에서 물을 취수하여 관을 타고 내려오다가 아래 그림 1과 같은 터빈을 돌립니다. 수력발전소 터빈그림 1의 터빈은 제조과정의 그림으로써 실제는 아래 그림 2에서 보는 것처럼 터빈은 폐쇄되고 아주 큰 관으로 터빈의 입구와 출구가 연결되어 있고, 물이 이 터빈을 돌리고 댐 아래쪽으로 빠져 나갑니다. 실제 작동할 때는 댐위에서 아래로 연결된 관로 내부에서 작동하므로 눈으로는 볼 수 없습니다. 이 터빈의 축은 그림 2와 같이 발전기와 연결되어 발전기 축을 회전시켜 전기를 발생시킵니다. 수력발전소는 물을 이용하므로 환경오염은 없으나 댐 숫자에 한계가 있고, 물의 수위 조절이 필요한 시기에는 작동의 어려움이 있습니다. 경우에 따라서는 밑에 내려온 물을 밤에 전기를 쓰지 않는 시간에 다시 댐으로 퍼올리는 양수발전소도 있습니다 수력발전소 원리2. 화력발전소 운영원리위의 수력발전은 높은 곳에서 관을 타고 내려오는 물의 힘을 이용하지만, 화력발전은 터빈을 돌리기 위한 힘을 보일러에서 가열된 스팀(증기)에서 얻습니다. 대기에서는 100도에서 물이 끓는데, 압력과 온도를 높혀 593도 이상의 고압 과열 스팀(증기)을 보일러에서 만들어지고, 관을 타고 가서 터빈에서 과열스팀이 포화스팀으로 변하면서 터빈을 돌립니다. 터빈 축은 발전기와 연결되어 있어 전기를 발생시킵니다. 화력발전소는 터빈을 돌리기 위한 스팀(증기)을 보일러에서 얻는데 석탄을 사용하여 화력으로 스팀(증기)를 만듭니다. 스팀이 관속을 이동할 때 형태는 공기처럼 우리 눈에는 보이지 않습니다. 즉, 냄비에서 물을 끓을 때 기포안에 스팀이 있는 것과 유사합니다. 이 스팀이 냄비에서 위로 올라오면 찬공기를 만나 일부는 김이 되어 하얗게 보이고 일부는 공기중에 수분으로 증발합니다. 이 스팀이 고압 고온에서 만들어 지면 엄청난 에너지를 가지고 있고, 이 과열스팀이 포화스팀으로 변하면서 터빈을 돌리게 됩니다. 포화스팀은 물과 증기가 공존하는 상태를 말합니다. 포화증기는 복수기로 들어가게 되는데 이때 외부 물과 열교환을 시켜 증기를 물로 응축시킵니다. 응축된 물은 펌프에 의해 다시 보일러실로 보내집니다. 화력발전소는 에너지를 석탄에서 얻으므로 대기 오염의 원인이 되지만 많이 지을 수 있고, 많은 전기를 얻을 수 있습니다. 화력발전소 원리
Q. 지구는 둥글다 vs 지구는 네모다
안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.간단합니다. 지구에서 발사한 탐사선이 지구 멀리서 지구사진을 찍어보면 간단히 알 수 있습니다. 네모라면 모서리가 찍히겠죠. 그러나 둥근 원 모양이 찍힙니다.
Q. 종이를 접었을 때 자국이 남는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.어떤 재료에 힘을 가했다가 제거하면 원래대로 돌아가는 성질을 탄성이라 하고, 어떤 재료에 힘을 가했다가 제거하면 원래대로 돌아오지 못하고 변형된 상태로 있으면 소성이라 합니다. 예를 들어 금속봉을 조금 힘을 주었다 제거하면 다시 복원되서 탄성에 의해 원래대로 돌아옵니댜. 그러나 힘을 많이 주게 되면 금속봉이 구부러지고 소성변형이 일어나서 원래대로 돌아오지 않습니다. 그러나 이 때는 소송변형으로서 금속원자의 배열이 바뀌어 모양만 변하게 됩니다. 다시 반대로 힘을 주게 되면 변형을 제자리로 돌려 원래 형태로 모양은 복구가 가능합니다. 만약 금속봉을 아주 많이 구부리면 소성변형을 넘어서 금속이 찢어집니다. 즉, 금속원자간에 결합이 서로 분리가 되어버려 다시 원상복구가 불가능합니다. 종이도 마찬가지입니다. 약간의 힘으로 구부렸다가 놓으면 제자리로 돌아오지만 접어 버리면 과도한 힘으로 소성 변형과 함께 내부의 종이의 결합이 미세하게 찢어져 버립니다. 다시 원래대로 펴면 소성 변형된 일부분은 제자리로 돌아오지만 미세하게 찢어진 부분은 그대로 남아서 자국으로 보이게 됩니다.힘을 주어서 소성변형된 재료는 원자간의 위치가 바뀌어서 반대로 힘을 주었을 때 다시 원자가의 위치가 바뀌므로 모양이 원형과 같아 보이지만 원자의 위치를 처음 배열 위치로 돌아가기가 어려워 완전한 복구는 불가능하고, 거시적으로 볼때 모양이 거의 복구된 형태로 보입니다.따라서 종이를 접으면 소성변형과 찢어짐이 동시에 발생하므로 완전한 복구가 불가능하고, 미세한 찢어짐으로 거시적인 모양에서도 주름이 남게 됩니다.재료가 탄성에서 소성으로 넘어가는 각도는 그 재료의 종류와 그 재료의 두께와 길이에 따라 달라집니다. 같은 종이라도 종이의 길이, 두께에 따라 달라지고 일반적으로 이러한 것은 실험으로 결정합니다. 종이를 접는다는 행위는 소성을 넘어서 종이가 미세하게 찢어지는 과정을 동시에 행한다고 할 수 있습니다.