안녕하세요. 공학박사입니다. 강인석 전문가입니다.
Q. 컵에 차가운 액체를 넣으면 왜 물방울이 맺히나요?
안녕하세요. 강인석 박사입니다.공기에는 항상 수분이 포함되어 있습니다. 공기의 압력과 온도에 따라 그 수분의 양이 달라집니다. 공기 1m^3 안에 포함되어 있는 물의 질량을 표기한 것이 절대습도입니다. 상대습도란 그 공기의 온도와 압력에서 수분을 최대한 포함할 수 있는 양을 100g 이라고 가정하고 실제 포함되어 있는 수분 양을 50g이라고 한다면 상대습도는 50%=(50/100)x100 입니다. 즉 최대로 포함할 수 있는 수분량에 대한 실제 수분량의 비를 백분율로 표기한 값입니다. 그런데 온도가 내려가면 공기 중에 최대로 포함할 수 있는 수분량이 감소합니다. 이제 가정을 하죠. 컵의 주위에 형성되어 있는 온도와 압력에서 상대습도가 50%인 공기가 있다고 하죠. 이 공기는 최대로 100g/m^3 의 물을 포함할 수 있는 공기입니다. 그렇다면 현재 이 공기는 50g/m^3의 물을 포함하고 있을 것입니다. 그런데 컵에 공기보다 차가운 물을 넣었고 컵의 표면에 닿아 있는 공기는 차가운 물과 열교환을 하여 차가운 물의 온도에 근접하게 온도가 내려갑니다. 그 온도에서는 공기가 최대로 포함할 수 있는 수분량이 40g/m^3 이라고 하죠, 이렇게 되면 10g/m^3 수분량 만큼을 더 포함하게 된 상태(과포화 상태라 합니다.)가 되고 과포화된 수분은 액체가 되어 공기에서 나와야 합니다. 왜냐하면 이 온도에서 최대로 포함할 수 있는 수분량이 40g/m^3인데 원래 50g/m^3을 가지고 있으므로 10g/m^3 을 내 나야 하는 것입니다. 임의의 온도와 압력에서 압력을 유지한 상태로 온도가 내려가면서 처음 물이 맺치는 온도를 이슬점이라고 합니다. 이러한 원리로 물이 맺치게 되는 것입니다. 쉽게 설명하려 했는데 모르겠네요..... 도움이 되시길.....
Q. 비행가 하늘에 떠있는 원리 궁금해요~?
안녕하세요. 강인석 박사입니다.비행기는 추진력이 있어야 날 수 있습니다. 추진력이 있어 앞으로 나아가면 비행기 주위에 공기 유동이 생깁니다. 그 공기 유동은 비행기 날개에도 발생되며 날개의 형상(본 질문과 유사한 다른 질문자 답변에 여러 전문가 분들로부터 자세하게 설명하되어있으니 참고 바랍니다.)으로 인하여 날개 위로는 아래 쪽보다 상대적으로 빠른 공기 유동이 생기고 날개 아래에는 느린 공기 유동이 생깁니다. 공기는 속도가 빠를수록 형성되는 압력이 낮고 느릴수록 압력이 높아집니다. 그러므로 수평 날개를 기준으로 압력차가 생기게 되며 이 압력차에 의해서 생기는 힘을 항력이라고 하고 이 항력이 날개를 떠 받들어 비행기가 공중에서 날 수 있는 것입니다. 즉 비행기 설계 시 비행기 추진 속도와 무게, 비행기 날개 형상 및 면적 등 여러 설계 인자를 고려하여 설계하여 비행기 엔진 추력을 통해 비행기 무게에 상응하는 항력이 생기도록 함으로써 비행기가 공중에서 날 수 있도록 하는 것입니다. 그러므로 비행기 엔진이 멈추지 않는다면 비행기는 추력을 받아 계속 앞으로 나아갈 수 있고 공중에 떠 있을 수 있습니다.
Q. 중력의힘 은 모든물체에 동일하게 적용되나요?
안녕하세요. 강인석 박사입니다.지구 상에서는 중력이란 어떠한 물질의 질량에 중력가속도가 곱해진 것이 중력입니다. 즉 중력 가속도는 지구상에서 9.8 m/s^2으로 동일하게 적용됩니다. 그러므로 물체의 질량에 따라 중력은 달라지게 되며 질량은 물체의 고유 값입니다.
Q. 비행기가 하늘을 나는 원리가 어떻게되나요?
안녕하세요. 강인석 박사입니다.비행기는 고정되어 있는 날개도 있고 우리가 알고 있는 큰 날개(고정익) 뒷 면에 가변익도 있습니다. 비행기의 수평으로 달려있는 날개의 경우 가변익은 위 아래로 움질일 수 있습니다. 또한 수직으로 되어 있는 꼬리 날개에도 고정익과 가변익이 이 역시 있습니다. 비행기를 자세히 보면 알 수 있어요. 비행기는 이 가변익을 조정하여 비행기가 뜰 수도 방향을 틀 수도 있는 것입니다. 공기는 속도가 상대적으로 빠를수록 형성되는 압력이 낮고 느릴수록 압력이 높아집니다. 그러므로 수평 날개의 뒤에 있는 가변익이 아래로 내려가면 수평 날개 아래쪽으로 흐르는 공기는 유동에 방해를 받아 유속이 수평 날개 위 쪽에서 흐는 공기 유속보다 느려져 수평 날개 아래 쪽 압력이 높게 형성되어 수평 날개를 기준으로 압력차가 생기게 됩니다. 이 압력차에 의해서 생기는 힘을 항력이라고 하고 이 항력이 날개를 떠 받들어 비행기가 상승하게 됩니다. 그렇다면 하강하려면 가변익을 위로 움직이면 됩니다. 그렇게 되면 반대로 아래쪽으로 힘을 받게 되어 하강하게 됩니다. 꼬리에 있는 가변익도 동일한 원리가 적용되어 우측으로 꺽이면 우측으로 비행기가 방향을 틀고 좌측으로 꺽이면 좌측으로 비행기 방향이 꺽입니다.
Q. 보온병의 보온 원리가 궁금합니다.
안녕하세요. 강인석 박사입니다.보온병의 원리는 열전달을 최소로 하는 기술이 들어가 있습니다.열을 전달하는 메카니즘은 전도와 대류, 복사 열전달이 있습니다.일반적으로 보온병에는 뜨거운 물을 담아두기 때문에 이를 기준으로 설명하겠습니다.뜨거운 물이라고 해도 섭씨 100도 미만입니다. 대기압 상태에서는 100도 이상이 되면 수증기가 되겠죠...하여튼 이 뜨거운 물의 열이 외부로 나가는 것을 최소로 하기 위해 보온병이 필요합니다.위에서 예를 들은 온도라면 현실적으로 복사 열전달은 무시(물과 대기 온도와의 온도차가 적어서)해도 됩니다. 그렇다면 전도와 대류에 의한 열전달 밖에는 거의 없습니다. 보온병은 보온병의 내부 표면과 외부 표면 사이에 진공을 만들어 전도 열전달과 대류 열전달이 거의 없도록 한 것입니다. 진공이 되면 열을 전달하는 매개체가 없고 매개체가 없으니 매개체의 유동도 없어 그 안에서는 전도도 대류 열전달도 없게 됩니다. 단지 물이 담겨져 닿아있는 금속을 통해 열이 전달될 수 있는데 그 두께가 얇아 매우 적은 열만 전달됩니다. 그러므로 물의 열을 오래도록 보존할 수 있게 되는 원리입니다.