안녕하세요 백대균 전문가입니다.
화학
Q. 차량이 들어가는 연료에따라 작동하는 원리가 달라지나요??
안녕하세요. 기계공학박사 백대균 과학전문가입니다.자동차 연료는 크게 화석에너지, 바이오에너지, 전기에너지, 연료전지에너지로 나누어집니다.가. 화석에너지 - 액체와 기체(가스)가 있습니다. 액체는 가솔린(휘발유)과 디젤(경유)이 있고, 가스는 LPG, LNG가 있습니다. LNG는 천연가스이고 LPG는 석유를 정유하는 과정에서 생성되는 가스입니다.O 가솔린(휘발유) - 공기와 휘발유를 혼합하여 압축하고 점화플러그로 점화하는 엔진에 의해서 구동O 디젤(경유) - 공기를 압축하고, 디젤을 분사하여 자연발화시켜서 점화플러그가 없는 엔진에 의해서 구동O LNG, LPG가스- 가스를 충전하여 액체로 만들고, 자동차 내부에서 가스로 바뀌면서 공기와 함께 압축하여 점화 플러그로 점화하여 엔진에 의해서 구동*엔진(engine)을 내연기관이라고 함 가솔린 내연기관 자동차 구동원리* 디젤기관은 공기만 먼저 흡입하고 압축한 후 연료를 분사 자연발화하여 점화플러그가 없음나. 바이오에너지 - 바이오 디젤과 에탄올이 있습니다.O 바이오디젤 - 바이오 디젤은 식물에서 만들어진 기름으로 디젤을 대체하여 사용되고 있습니다. 특히 BD50(바이오디젤유 50%+경유 50%) 이하는 기존의 디젤엔진에 그대로 활용할 수 있습니다. 즉, 바이오디젤유 50% 이하는 현재에 사용되는 디젤 자동차에 그대로 넣어서 사용할 수 있습니다. O 에탄올 - 에탄올 겸용 자동차는 사탕수수. 옥수수 등 곡물에서 추출한 에탄올(알코올 성분)과 기존 휘발유를 모두 쓸 수 있는 자동차로 에탄올과 휘발유의 혼합 비율에 상관없이 연료로 사용이 가능합니다.다. 전기에너지O 하이브리드 자동차 - 화석연료를 이용하여 주행할 때 여분의 에너지로 전기를 충전시켰다가 다시 주행에 사용하므로 화석연료를 절약할 수 있어 고유가 시대에 도움이 됩니다. 전기로 구동할 때는 내연기관 엔진은 멈추고, 전기모터가 자동차 바퀴를 구동합니다.O 전기자동차 - 연료를 주입하는 연료통이 전혀 없는 순수 전기자동차입니다. 엔진이 없고, 전기가 전기 모터를 구동하고 감속기를 통해 자동차 바퀴를 회전시킵니다. 전기자동차 구조라. 수소 연료전지최근 수소연료가 사용되고 있는데, 수소 자동차는 수소가스를 사용하고 있지만 LPG 가스차처럼 수소를 태우는 내연기관이 있는 것이 아니라, 수소를 이용하여 전기를 생산하여 자동차를 구동시키는 전기차의 일종으로 수소연료전지 자동차입니다. 고유가 시대에 적합하지만 수소연료전지자동차는 아직 인프라가 구축이 되어 있지 않아 수소가스를 충전하기가 힘든 단점이 있습니다. 수소연료전지 자동차 구조
지구과학·천문우주
Q. 골프공은 왜 오돌토돌(곰보) 되어 있을까요?
안녕하세요. 기계공학 박사 백대균 과학전문가입니다.결론부터 말씀드리면 골프공을 멀리 보내기 위해서 곰보공을 만듭니다. 이것은 실제 과학실험에 의한 결과로써 매끈한 공보다 곰보공이 더 멀리 날아갑니다. 특히, 속도가 빠르면 비거리 차이가 더 심합니다. 골프 초기속도가 매우 빨라서 곰보공을 만들면 더 멀리 날아가는 효과가 더 커집니다.유체역학 이론을 말씀드리면 그림1과 같이 공의 속도가 빨르면 당연히 공의 뒷부분에는 공기의 양이 적어져서 압력이 낮아서 흡입력이 생깁니다. 이 흡입력은 공의 진행방향의 힘을 약화시킵니다. 딤플이 있으면 골프공 면을 타고가는 공기를 흔들게 만들므로 공의 뒷부분의 안쪽까지 공기가 잘 들어가게 되어서 압력강하 현상을 줄일 수 있습니다.그러나 매끈한 공은 공기가 면을 타고 부드럽게 흘러가다가 그대로 이탈하게 되므로 공의 뒷부분에 공기의 양이 상당이 줄어듦으로써 압력강화 현상이 많이 나타나서 공이 나아가는 힘을 더 약화시킵니다.전문적인 용어로 골프공의 딤플은 공기의 흐름을 층류에서 난류로 만들어 줍니다. 이 난류는 공기가 흔들리므로 골프공 뒷분분까지 공기가 잘 흘러들어가게 만듭니다.
지구과학·천문우주
Q. 태풍의 눈 지역은 왜 고요한가요?
안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.아래 그림 1처럼 만약 태풍이 발달하게 되면 엄청난 저기압이 발생하여 많은 비를 내리고, 강한 강풍이 붑니다. 바람은 반시계 방향이고 태풍이 중심이 가장 낮은 저기압이므로 태풍의 중심쪽으로 바람이 붑니다. 태풍의 구름과 바람 방향그림과 같이 태풍중심으로 바람이 회전하면서 불면, 물의 회오리 현상처럼 중앙은 텅빈 모양이 형성됩니다. 따라서 태풍의 눈은 바람도 불지 않고 하강기류에 의해 구름도 없는 현상이 나타납니다. 그러나 태풍은 이동하므로 곧바로 강력한 비바람이 몰아칩니다.
전기·전자
Q. 전화기의 원리가 매우 궁금합니다?
안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.우리가 말을 하면 떨림이 공기에 전파되고 이 공기떨림을 귀가 감지합니다. 각 사람마다 떨림의 모양이 달라서 목소리의 특징이 있습니다.이 공기의 떨림을 그림1과 같이 마이크가 전기신호로 바꾸고 이 전기신호가 전선을 타고 멀리 전달되고 전화기에서 스피커의 진동판이 그림 2와 같이 전기신호를 공기의 떨림으로 재생합니다. 마이크의 원리 스피커의 원리유선 전화기는 마이크의 전기신호가 전선으로 연결됩니다. 휴대폰은 마이크의 전기신호를 다시 무선 주파수로 바꾸고 이 신호가 휴대폰 중계소를 거처서 상대방 휴대폰으로 전달됩니다. 받은 무선 주파수는 전기신호로 바꾸어 휴대폰 스피커로 갑니다.모든 녹음과 재생은 전기신호를 CD등 저장 매체에 저장했다가 스피커로 전달합니다. 그리고 마이크 스피커를 통한 공연도 동일한 원리 입니다. 큰 스피커는 전기 신호를 증폭기로 증폭하여 진동판의 떨림을 크게 합니다.
기계공학
Q. 대륙간 탄도미사일 ICBM이 무엇인가요?
안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.대륙간탄도미사일(ICBM - Intercontinental Ballistic Missile)은 핵탄두(핵무기)를 장착하고 한 대륙에서 다른 대륙까지 공격이 가능한 탄도미사일입니다. 사정거리 5,500㎞ 이상의 탄도미사일로, 대기권 밖을 비행한 후 핵탄두로 적의 전략목표를 공격합니다. 대륙간탄도미사일은 전략폭격기, 잠수함발사탄도미사일과 함께 전략핵무기의 한 축을 담당하고 있습니다. 특히 다른 전략핵무기들과 달리 발사준비에 걸리는 시간이 짧기 때문에, 가장 위력적인 전략핵무기로 꼽히기도 합니다. 현재 미국과 러시아를 포함하여 5개국이 대륙간탄도미사일을 보유하고 있으며, 미국과 러시아가 보유한 대륙간탄도미사일은 800여 발에 달합니다.ICBM은 성능이 뛰어나서 공중에서 격추하기가 매우 힘듭니다. 최근 2020년에 미국이 해상에서 ICBM을 격추할 수 있는 요격 미사일을 개발했습니다만 100프로 격추한다는 보장이 없으므로 ICBM은 매우 위험합니다.또한, 2021년에 미국 국방부 산하 미사일방어청은 최근 알래스카주에 장거리식별 레이더(LRDR) 설치 작업을 완료했습니다. 지난 2015년 미정부 의뢰로 군수회사 록히드마틴이 작업에 착수한 지 7년 만에 설치를 했는데 ICBM, 극초음속 미사일 등 장거리 미사일을 발사 후 조기에 감지하는 기술입니다.그러나 ICBM을 조기에 감지해도 100프로 요격한다는 보장이 없으므로 여전히 위험합니다.
지구과학·천문우주
Q. 지구 중력이 2배가 되었을 때 와 1/2배가 되었을 때 미치는 영향은 무엇인가요?
안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.중력이 2배가 되면은 모든 물체의 무게가 2배로 무거워지고, 중력이 1/2이 된다면 모든 물체의 무게가 1/2로 가벼워진다고 보시면 됩니다. 갑자기 중력이 2배로 변한다면 모든 지구시스템과 생명시스템은 무너지게 될 것입니다. 당장 내일부터 그렇게 된다면 우리는 제대로 걷지도 못합니다. 내 몸무게가 70kg에서 140kg로 늘어나면 사는 것 자체가 매우 힘들어질 것입니다. 많은 건물은 무게를 지탱하지 못하고 무너질 것이며, 바다의 생물도 헤엄치기가 힘들어 지고, 많은 나무는 무게를 견디지 못하고 부러지고 생명시스템도 무너질 것입니다. 만약 내일부터 1/2로 무게가 가벼워진다면 2배로 무거워지는 것보다는 재앙이 약할 것입니다. 우선 몸이 붕붕 뜰 것이기 때문에 조심해서 걸어야 할 것이며, 운전도 매우 힘들 것입니다. 아마도 인간은 약간의 적응은 할 지 몰라도 동물들은 큰 혼란에 빠질 것입니다. 중력의 장점과 단점은 없습니다. 모든 행성은 중력이 존재하니까 말입니다. 행성의 크기가 커지면 중력이 커지므로 그 중력에 최적화되어서 생명시스템이 진화할 것이고, 모든 시스템이 그 중력에 맞게 최적화될 것입니다. 반대로 행성의 크기가 작으면 그 중력에 맞게 모든 시스템이 최적화될 것입니다.
지구과학·천문우주
Q. 쓰나미는 왜 발생하는건지 궁금합니다
안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.바다에서 지진이 발생하여 큰 물결이 일어나고 이 물결이 지진 발생지점에서 사방으로 퍼져나가는데 지진발생 근방에 섬이나 육지가 있으면 큰 피해를 입습니다. 그림1과 같이 육지나 섬에서 좀 떨어진 깊은 바다에서 발생하면 피해가 더 큽니다. 발생지점 바다속 땅이 지진으로 순간적으로 어긋나 버리면 그 위에 바닷물이 순간적으로 그림에서 보는 것처럼 어긋나면서 큰 물결이 사방으로 퍼져나갑니다. 이 물결이 육지나 섬쪽으로 오면 수심이 얕아 지면서 큰 파도로 변하여 쓰나미가 됩니다. 평상시 먼 바다의 물결이 육지쪽으로 오면서 파도로 변하는 원리와 같습니다. 지진 발생지점에서 깊은 바다쪽으로는 큰 물결만 생기고 심각한 피해가 없고, 아주 멀리 가면서 그 위력이 약해집니다. 육지나 섬에서 아주 먼 지점에서 발생하면 심해 땅에서 바다표면까지 거리가 멀어서 물결이 어긋나는 높이도 약해지고, 또한 육지까지 오면서 물결의 위력이 약해져서 피해가 적습니다.
화학
Q. 경유 대체제가 무엇이 있을까요
안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.일반적으로 자동차연료는 화석연료인 휘발유나 경유입니다. 그 다음으로 화석연료에서 만들어진 LPG, LNG 가스를 사용하는 가스차입니다. 화석연료는 공해가 심해서 공해가 획기적으로 줄어든 바이오 디젤(경유)이 있습니다. 바이오 디젤은 식물에서 만들어진 기름으로 디젤을 대체하여 사용되고 있습니다. 바이오 디젤 주유 모습바이오디젤유는 대두유(콩기름), 폐식용유와 같은 식물성 기름을 이용해 경유를 대체할 수 있게 만든 연료를 말합니다. 특히 BD50(바이오디젤유 50%+경유 50%) 이하는 기존의 디젤엔진에 그대로 활용할 수 있습니다. 즉, 바이오디젤유 50% 이하는 현재에 사용되는 디젤 자동차에 그대로 넣어서 사용할 수 있습니다. 경유 대체제는 바이오디젤입니다.1. 최근 수소연료가 사용되고 있는데, 수소 자동차는 수소가스를 사용하고 있지만 LPG 가스차처럼 수소를 태우는 내연기관이 있는 것이 아니라, 수소를 이용하여 전기를 생산하여 자동차를 구동시키는 전기차의 일종으로 수소연료전지 자동차입니다. 고유가 시대에 적합하지만 수소연료전지자동차는 아직 인프라가 구축이 되어 있지 않아 수소가스를 충전하기가 힘든 단점이 있습니다. 수소연료전지 자동차 구조2. 하이브리드 자동차는 화석연료를 이용하여 주행할 때 여분의 에너지로 전기를 충전시켰다가 다시 주행에 사용하므로 화석연료를 절약할 수 있어 고유가 시대에 도움이 됩니다.3. 전기자동차는 연료를 주입하는 연료통이 전혀 없는 순수 전기자동차입니다. 고유가 시대에 적합하다고 할 수 있습니다.4. 에탄올 겸용 자동차는 사탕수수. 옥수수 등 곡물에서 추출한 에탄올(알코올 성분)과 기존 휘발유를 모두 쓸 수 있는 자동차로 에탄올과 휘발유의 혼합 비율에 상관없이 연료로 사용이 가능하여 고유가 시대에 도움이 됩니다.
전기·전자
Q. 가정집에서도 풍력발전을 할수있을까요?
안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.가정용 풍력발전기는 상용화되어서 쿠팡 등 전자상거래로도 살 수 있습니다. 옥상 등에 설치하여 사용합니다.프로펠러에 연결된 발전기, 컨트롤러. 밧데리로 구성되어 있습니다. 발전기에서 충전기로 바로 연결하면 과층전에 의한 폭발이 생길 수 있어 컨트롤러를 통해서 연결합니다. 설명서도 잘 되어있어서 구입하여 설치하면 됩니다. 충전 전기는 12V, 24V 선택할 수 있고, 프로펠러에 달린 발전기 출력 와트(W)도 선택할 수 있습니다.프로폘러가 너무 작으면 발전용량 와트가 작아서 충전기 용량도 작아져서 전기를 큰 용량에 쓸수 없고 오래쓸 수 없습니다. 이론적으론 아주 작아도 상관없고, 만약 만든다면 꼬마 전구는 켤 수 있을겁니다. 시중에 나온 것은 가격과 풍력발전기 크기등을 고려하여 최적의 제품들이 판매되고 있습니다. 가정용 풍력발전기
물리
Q. 단열 팽창에서 주변과 열을 주고 받지 않는 이유
안녕하세요. 백대균 과학전문가입니다.단열팽창과 단열압축은 열을 가하지 않고 팽창과 압축이 일어난다는 뜻입니다. 어떤 용기에서 열을 가하면 기체가 팽창하게 되는데, 그렇지 않고 열을 전혀 가하지 않는 상태에서 팽창이 일어난다는 뜻입니다. 공기가 하늘로 상승할 때 열을 전혀 가하지 않는 상태로 상승하면 팽창이 일어나고 기온이 하강합니다. 즉, 어떤 장치나 시스템에서 열을 전혀 주지 않고, 압축하거나 팽창하는 것을 단열압축, 단열팽창이라고 합니다. 물론 실제로 미세하게 열은 전달되지만 무시할 수 있습니다. 예를 들어 실내에서 주사기 입구를 막고 압축시키면 주사기 실린더와 피스톤으로 열 출입은 거의 무시할 정도로 작으므로 단열압축이 발생합니다. 반대로 주사기를 가만히 고정시키고 열만 가하면 공기가 압축되어 가열압축이 발생합니다. 또한 주사기 입구를 막고 피스톤을 뒤로 당기면 단열팽창이 일어납니다.