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증기기관차의 발명원리는 어떻게 되나요?

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.증기기관차는 증기의 힘으로 달리는 기관차이고 전기 기관차는 전기의 힘으로 달리는 기관차입니다역사적으로는 증기 기관차가 오래 된 기술이고 전기기관차가 최신 기술입니다 인류의 문명이 발전하게 되는 결정적인 게기가 영국의 산업혁명이고 이 산업혁명은 그동안 사람 힘으로 하던 모든 일을 증기기관이라는 기계를 이용하게 됨으로서 대량 생산의 길을 열게 된 것입니다 그전까지는 물건을 사람 손으로 직접 만들었지만 증기기관의 발명으로 공장에서 기계의 힘으로 만들게 된 것이지요 증기 기관은 물을 끓여 나오는 수증기의 힘으로 기계를 돌리는 장치로서 이 때부터 사람대신 기계의 힘을 이용하는 문명의 발전이 시작된 것입니다 그래서 증기기관의 발명이 인류의 역사에 끼치는 영향은 엄청나게 큰 것입니다 증기 기관차는 당시 운송수단으로 사용되던 마차를 끌고가는 말의 힘이 한정되어 있어서 공장에서 생산하는 많은 물건을 제대로 운반하지 못하자 산업 발전에 따를 수요 증가에 맞도록 더 많은 짐을 더 빠르게 수송하기 위한 방법을 개발하면서 증기기관의 원리를 이용하여 영국의 스티븐슨이 발명한 것입니다 증기 기관차는 증기를 만드는 보일러와 석탄, 그리고 물을 실고 보일러에서 만든 증기를 이용하여 증기기관으로 바퀴를 굴러가게하는 구동장치를 개발하여 기관차를 달리게 하였습니다 "증기기관을 차량에 응용한 것은 18세기 후반부터 영국 등에서 시도되었으나 1814년 G.스티븐슨이 증기기관차의 시작에 성공하여 1825년에 만든 로커모션호는 이해에 개업한 세계 최초의 철도 스톡턴∼달링턴 철도에서 실용화에 성공하였다. 이 기관차는 약 90t의 객·화차를 견인하여 시속 16km의 속도로 주파하였다고 한다. 그후 1829년 리버풀맨체스터철도의 개업을 앞두고 기관차경주가 행해졌는데 스티븐슨과 그 아들이 만든 로켓호는 최고시속 46km를 내어 우승함으로써 증기기관차의 우수한 성능과 실용가능성을 일반이 인식하게 되었다. 그후 증기기관차는 각국의 철도에 채택되어 장거리주행을 위하여 석탄과 물을 다른 차량에 적재하여 견인하는 텐더 기관차가 출현하였으며, 속도를 증가하기 위하여 동륜(動輪) 지름을 크게 하는 등의 시도가 이루어져 모두 실용화되었다. 기관차의 대형화는 19세기 말까지 크게 진척됨에 따라 견인력도 점점 증대하였다."(출처 : '증기기관차와차의발달좀' - 네이버 지식iN) 증기 기관차는 당시 마차에 의존하는 수송 수단보다 몇십배를 한번에 수송하는 혁명적인 변화를 가져와서 사회적인 변화를 만들게 됩니다. 그런데 증기 기관차는 보일러, 석탄, 물 그리고 증기기관까지 실고가기 때문에 무게가 엄청나게 무겁기 때문에 마차처럼 보통 도로를 달리지 못하여 기관차가 다닐수 있도록 레일을 깔아 별도의 철도를 만들게 됩니다. 이렇게 만들어진 철도를 따라 사람들이 타고 내리는 정거장이 만들어지고 이에 따라 이 정거장 주변이 발달하여 도시가 만들어 지게 됩니다증기 기관차의 발명으로 인구 집중이 가능하게 되어 비로소 대규모 도시가 많이 만들어지게 된 것입니다. 이때부터 유럽에서 농촌에 골고루 퍼져 살던 사람들이 도시로 모이게 됩니다 그런데 이 증기기관차는 반드시 증기가 있어야 하기 때문에 이 증기를 생산하기 위한 물과 연료인 석탄을 실고 다니게 되고 또 석탄을 태우는 과정에서 엄청난 석탄분진과 매연이 발생하여 도시 내부에서 운행하기에는 적당하지 못하여 이를 대체할 새로운 기술을 기다리게 됩니다영국 런던에서 최초의 지하철은 이 증기 기관차가 운행하였다고 합니다땅속에서 매연을 품고 달리는 증기 기관차 지하철을 상상해 보세요 전기기관차는 독일에서 최초로 상업화가 됩니다그 유명한 독일 지멘스라는 사람이 만든 회사에서 1900년대 초반에 전기기관차를 만들어 운전에 성공하여 유럽의 모든 도시에서 도시교통 수단으로 이 전기 기관차가 폭발적으로 보급됩니다우리가 전차라고 알고있고 우리나라에도 한때 종로에 다녔다는 전차는 자동차가 개발되기 전에 나와서 당시 모든 도시의 중요한 교통수단이 되어 당시 도시교통을 대부분 소화하엿지요이 전차는 매연도 없고 소음도 없으며 증기기관차보다 가벼워서 도시 교통수단으로는 큰 인기를 끌었지요하지만 여전히 도시 사이를 연결하는 철도는 여전히 증기기관차가 승객과 화물을 운반하였습니다 왜냐하면 당시 기술로는 증기기관차보다 빠르거나 힘이 센 전기기관차를 만들지는 못하였거든요 제2차 세계대전이 끝나고 전쟁중 개발된 많은 기술이 활용되면서 새로운 휘발유 엔진과 디젤엔진 기술이 자동차라는 새로운 교통수단을 만들게 됩니다하지만 당시 전기를 제어하는 기술은 컴퓨터가 나오기 전이라서 전기기관차는 그다지 발전하지 못하여 그 결과 2차 세계대전이 끝나면서 대부분의 도시 내부는 자동차가 이 전차를 대체하게 되었고 외부 철도는 디젤 기관차가 증기기관차를 대체하게 되었습니다 그런데 사실 디젤 기관차는 엔진만 디젤일 뿐 실제 기관차를 움직이는 장치는 전기모타로서 기관차 속에 설치된 디젤엔진으로 발전기를 돌려 전기를 생산하고 이 전기로 기관차 바퀴에 연결된 모타를 움직이는 전기기관차의 일종입니다 당시 기술로는 전기를 가지고 엄청나게 무거운 기관차의 속도와 힘을 직접 통제하기 어려운 반면 이 전기를 만드는 디젤기관의 출력을 조절하기는 쉽기 때문에 디젤기관차가 널리 보급된 것입니다. 또한 전기 공급을 위한 전차선을 철도에 건설하려면 비용이 많이 드는데 디젤기관차로 운행하면 그런 비용이 들지 않아 경제적인 면도 영향을 주었던 것입니다 이후 컴퓨터가 발명되고 이 컴퓨터를 이용하여 전기를 다루는 기술이 발전하여 모터의 힘과 속도를 마음대로 제어할 수 있게 되면서 전기기관차는 눈부시게 발전하게 됩니다 현재 고속열차가 빠르고 안전하게 달리고 있고 지하철은 도시속에서 매일같이 많은 사람을 운반하고 있습니다이제는 우리 나라에서도 철도에 전차선을 설치하여 시끄럽고 비효율적인 디젤기관차를 전기기관차로 바꾸는 전철화 작업을 진행하고 있지요. 전기기관차가 훨씬 빠르고 조용하며 환경 친화적이기 때문에 앞으로 우리나라 철도는 대부분 전기기관차로 바뀔 것입니다 하지만 미국같이 땅이 넓은 나라는 전기 공급시설비용이 많이 들어 디젤기관차를 이용하는 것이 경제적이겠지만 일본은 벌써 거의 대부분의 철도에 전기 기관차가 다니고 있습니다 이제 증기기관차는 박물관에 가야 만날수 있습니다. 물론 아직 경제적으로 어려운 나라에서는 운전이 간편한 증기기관차를 사용하기도 하지만 속도가 느리고 매연, 소음 등의 문제가 많아 차차 사라질 수밖에 없다고 봅니다. 하지만 몇몇 관광 철도에서는 이 증기기관차가 추억속 여행을 즐기고 싶은 승객을 싣고 앞으로도 오랫동안 칙칙폭폭하며 달릴것입니다.

학문 / 전기·전자

23.05.16

양자역학과 관련된 책 추천해주세요

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.양자역학 참고 서적 소개널리 알려진 양자역학 교과서와 참고서를 소개합니다. 여기에 소개하는 책은 대부분 학부에서 대학원 석사 1학년 정도의 수준입니다. (순서는 무순.)D.J. Griffiths Introduction to Quantum Mechanics 2nd ed. (2004) Prentice Hall 수준: 학부 학부 수준의 표준 교과서. 현재 국내외의 많은 학교에서도 이 책을 교과서로 쓰고 있고 평도 좋아서 나도 2006년부터 학부 교과서로 사용하고 있다. 전체적으로 잘 썼고 다른 책에 비해 비교적 쉽게 쓰여져 있다. 하지만 마음에 들지 않는 점도 꽤 발견된다. 예를 들면 이 책은 양자역학의 발전 과정에 대한 언급이 전혀 없이 슈뢰딩거 방정식부터 시작하는데 이 자체로는 나쁘다고 할 수 없지만 그래도 해당 내용이 나오면 간단하게나마 언급은 해야 하지 않을까? 아마도 학생들이 "현대물리" 과목에서 배울 것으로 생각한 것 같긴 하지만... 또한 formalism이 harmonic oscillator나 free particle의 뒤에 한꺼번에 나오기 때문에 앞부분의 내용이 좀 빈약하다. 예를 들면 harmonic oscillator를 다루면서 number operator도 정의하지 않고 심지어 eigenvalue나 eigenfunction이라는 용어도 사용하지 않는다. 의도를 이해하지 못하는 바는 아니지만 좀 지나친 것 같다. 이에 비해 뒷부분은 학부에서 이걸 다 가르칠 필요가 있을까 하는 생각이 들 정도로 자세하다. 결국 그냥 책을 따라가면서 강의하긴 곤란한 듯.R. L. Liboff Introductory Quantum Mechanics 4th ed. (2002) Addison-Wesley 수준: 학부 학부 수준의 표준 교과서. 내가 배울 때도 이 책이 주 교과서였다. 다른 표준적인 교과서인 Gasiorowicz보다 자세하고 체계적이라서 이 책이 교과서로는 더 좋아 보인다. 다만, 문제는 판이 올라가면서 터무니 없이 너무 두꺼워지고 어려워진 감이 있다는 것이다. 세상에 850페이지가 넘다니! 이걸 어떻게 1년에 다 끝낸담. 학부 교과서면 학부 교과서로 만족해야 하는데 책을 쓸 때도 역시 욕심은 금물이다.Choonkyu Lee Essential Quantum Physics (2006) Chungbum Publishing Co. 수준: 학부서울대 이준규 선생님께서 학부 강의록을 기초로 쓰신 책. 나는 이 분의 강의를 통하여 양자역학을 배웠다는 사실 한 가지만 기록해 두자. 더 이상의 평을 하는 것은 누가 될 뿐.R. Shankar Principles of Quantum Mechanics 2nd ed. (1994) Plenum 수준: 학부 - 대학원양자역학 책 가운데 가장 잘 쓴 책 중의 하나. 개인적으로 학생 시절에 Shankar의 책에서 많은 것을 얻었다. 교과서로도 이상적이고 혼자 공부하기에도 좋다. 다만, 학부 교과서로 쓰기에는 조금 어렵고 대학원 교과서로 쓰기에는 약간 쉽다는 느낌이 있다. 달리 표현하면 내용을 적절히 첨삭하여 어느쪽 강의에도 좋은 교과서로 쓸 수 있다는 뜻. 다른 양자역학 책을 읽고 잘 이해가 되지 않는 사람은 포기하기 전에 반드시 Shankar를 정성스럽게 공부할 것. 노력이 보상을 받을 것이다. Shankar가 쓴 수리물리 책도 아주 훌륭하다. Shankar가 연구 시간을 조금 줄이더라도 다른 분야의 교과서도 많이 써서 수많은 물리학도에게 광명을...J. J. Sakurai Modern Quantum Mechanics 2nd ed. (1994) Addison-Wesley 수준: 대학원표준적인 대학원 교과서. 나도 이 책으로 배웠다. 일본계 미국인 물리학자 Sakurai가 집필을 끝마치지 못하고 도중에 사망하여 그의 친구가 완성했다. 학부 수준의 양자역학을 아는 사람을 대상으로 쓴 책. 전체적으로 명쾌한 설명이 돋보이는데 특히 Sakurai가 직접 쓴 전반부는 아주 좋다. 각 장 끝에 매우 많은 문제가 있는데 어려운 문제도 꽤 많이 있다. 이런 문제를 하나씩 스스로 풀어보면서 내공이 쌓이는 것. Sakurai도 Shankar처럼 교과서를 쓰는데 소질이 많은 듯. 입자물리에 대한 그의 다른 책도 아주 좋다. 젊은 나이에 너무 일찍 죽은 것이 아쉽다.송희성 양자역학 (1984) 교학연구사 수준: 학부 - 대학원외국 교과서에 전혀 뒤지지 않는 훌륭한 책. 우리나라의 척박한 물리 서적 출판 현황에 보배같은 존재. 번역판에서는 결코 느낄 수 없는 진정한 우리말로 쓴 교과서. 그래서 실제로는 보통의 학부 교과서보다 어려운 내용이 꽤 있음에도 불구하고 우리나라 학부생들의 필수 서적이 되었다. 그동안 이 책으로 수많은 몽매한 물리학도가 구제를 받았으리라. 혹은, 이 책이 있음으로 해서 게으른 물리학도들이 자신이 양자역학을 잘 못하는 것이 영어때문이라는 핑계(!)를 더이상 댈 수 없게 되어버렸다. 우리나라 물리학이 더욱 발전하려면 다른 분야에도 이런 우리말 교과서가 많이 나와야 한다.P.A.M. Dirac Principles of Quantum Mechanics 4th ed. (1982) Clarendon 수준: 학부 - 대학원고전 중의 고전. 양자역학 창시자의 한 명인 Dirac이 쓴 책. 초판은 1930년에 나왔지만 역사적으로나 물리적으로나 지금도 읽을 가치가 충분한 책. 읽으면서 감동이 오는 몇 안되는 물리 책 중의 하나. 천재 물리학자 Dirac의 풍모를 느낄 수 있다. 자신이 물리학도라고 생각한다면 언젠가 한 번은 반드시 읽어보기를 권한다. 양자역학을 깊이 이해하기 위해서. 그리고 Dirac을 비롯한 양자역학 창시자들에게 경의를 표하기 위해서.L. I. Schiff Quantum Mechanics 3rd ed. (1968) McGraw Hill 수준: 대학원지난 세기 단 한 권의 양자역학 교과서를 꼽으라면 대부분이 주저하지 않고 Schiff를 꼽았으리라. 수십년 동안 수많은 물리학자가 바로 이 책을 통하여 양자역학을 배웠다. 양자 역학 교과서의 권위있는 표준. 아직도 세월의 흐름과 무관하게 교과서로나 참고서로나 우뚝 서 있다. 다른 책을 교과서로 배우더라도 이 책을 수시로 참고하며 손때를 묻혀야 한다.C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloe, B. Dui Quantum Mechanics 2 vols. (1977) John Wiley & Sons 수준: 학부 - 대학원일단 두께에 놀라는 책. 1500페이지가 넘는다. 쉬운 내용과 어려운 내용을 구분하여 학부와 대학원 모두에서 사용할 수 있다. 책이 두껍고 양쪽을 모두 고려하다 보니 개인적으로는 약간 산만한 느낌도 있다. 하지만 책 자체는 잘 썼고 문제도 충실하다. 대표 저자인 Cohen-Tannuoji는 얼마 전에 노벨상을 받은 바 있다. 굳이 읽지는 않더라도 책꽂이에 꽂아놓으면 그럴듯하게 보이는 책이기도 하다.R. P. Feynman Feynman Lectures on Physics vol 3 (1970) Addison-Wesley 수준: 학부저자는 그 유명한 Feynman. 설명이 불필요한 물리학자이다. 그리고 이 책도 설명이 불필요한 유명한 책. 물리의 ㅁ자도 모르는 일반 사람들도 한두 번은 들어봤을 정도이다. 학부 2학년을 대상으로 쓴 책이므로 수식도 매우 적고 쉬워 보이지만 완전히 소화하기는 결코 쉽지 않다. 나중에는 자신의 영어 해석 능력을 의심하는 지경에 이를 수도 있다. 책을 공부하는 것 자체는 재미가 있는데 그런 재미와 이해도가 꼭 비례하는 것은 아니라는 것을 보여주는 책이기도 하다. 그래도 이런 책을 보고 있으면 이런 것이 바로 물리구나 하는 생각이 종종 들기도 한다. 방학 때 여유를 가지고 뜻이 맞는 사람 몇 명과 같이 이 책을 공부해보는 것은 어떨까. 그 모임이 조만간 친목 도모의 모임으로 바뀔 가능성이 높다고 해도... 언제 어디서 누가 갑자기 Feynman lecture 봤냐고 물어봤을 때 할 말은 있어야 물리학도로서 부끄러움을 면할 수 있으니까.E. H. Wichmann Quantum Physics Berkeley Physics Course vol 4, (1971) McGraw Hill 수준: 학부Berkely Physics Course는 모두 5권으로 이루어져 있는데 2년 동안 배우는 일반물리 코스이다. 제 4권이 양자 역학을 다루는데 아주 얇고 쉽게 썼다. 어렵지 않게 양자 역학의 기초를 이해하고 싶을 때 이 책을 보면 좋다. 학부 양자 역학 강의를 듣기 전에 방학 때 이 책으로 공부하면 이상적일 듯. 양자역학을 만든 사람들의 사진도 매우 많이 나온다.L. D. Landau and E. M. Lifshitz Quantum Mechanics: Nonrelativistic theory Course in Theoretical Physics vol 3, 3rd ed. (1981) Butterworth-Heinemann 수준: 대학원미국에 Feynman이 있다면 러시아에는 Landau가 있다. Landau and Lifshitz 시리즈는 아마도 가장 유명한 이론물리 교과서 시리즈일 것이다. 내용이야 어떻든 이 시리즈라는 이유 하나만으로도 충분히 소장 가치가 있는 책. 물론 이 책 자체도 매우 잘 썼다. 하지만 이 시리즈의 다른 책과 마찬가지로 매우 내용이 많고 어려운 부분도 많다. 보통의 대학원 교과서에 없는 내용도 많이 나온다. 다른 책을 보다가 혹시나 하는 생각이 들 때 찾아보면 결코 실망시키지 않는 책. 러시아에 왜 훌륭한 물리학자가 그리도 많은지 이 시리즈를 보면 이해할 수 있다.S. Gasiorowicz Quantum Physics 3nd ed. (2003) John Wiley & Sons 수준: 학부전통적으로 학부 교과서의 표준으로 생각되던 책. 하지만 개인적으로는 불만스러운 점도 좀 있다. 평범한 학생이 별 생각없이 공부하기에는 설명이 약간 부족하다는 느낌. 다른 책보다 상대적으로 얇은데 내용은 없는 것이 없을 정도로 많으니 그럴 수밖에 없다. 장점이 많은 책이긴 하지만 더 친절한 책도 많다. 이제는 참고서로 더 좋지 않을까? 추가: 3rd edition이 나오면서 어려운 내용은 모두 빼고 internet으로만 찾아볼 수 있게 했다는 얘기를 어디선가 들었음.G. Baym Lectures on Quantum Mechanics (1973) Benjamin 수준: 대학원나온지 상당히 지났지만 여전히 매우 좋은 책이다. 다른 곳에서 발견하기 힘든 관점의 설명도 많고 내용도 풍부하다. Sakurai처럼 학부 수준의 양자역학은 안다고 가정하고 쓴 책이라서 교과서로 사용한다면 학생들은 초반에 약간의 정신 무장을 해야 할 듯. 교과서로 쓰지 않는다 해도 참고서로는 꼭 옆에 두고 보는 것이 좋다.K. Gottfried and Tung-Mow Yan Quantum Mechanics: Fundamentals (2004) Springer 수준: 대학원(이 책은 1966년에 1판이 나왔는데 그때는 volume 1. Fundamentals라는 부제가 붙어 있었다. 그러다가 vol 1이라는 것은 뺀 채 거의 40년만에 저자가 한 명 추가되어 2판이 나왔다. volume 2는 이제 영영 쓰지 않기로 한 걸까?) 좋은 대학원 교과서 (좋은 책이 참 많기도 하다). 설명이 명쾌하다. 특히 measurement theory에 대한 설명이 자세히 나와 있다. Sakurai의 마지막 장에 있는 Coulomb scattering 부분은 이 책의 내용을 줄인 것이다.E. Merzbacher Quantum Mechanics 3rd ed. (1997) Wiley 수준: 대학원Schiff와 함께 오랫동안 표준적인 대학원 교과서로 사용되던 책. 양자역학 기초부터 나와 있으므로 (바람직하진 않지만) 이 책으로 양자역학을 처음 공부할 수도 있다. 몇몇 부분은 다른 책에 없는 내용도 있어서 참고서로도 유용하다.

학문 / 전기·전자

23.05.15

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