답변 내역

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.고속열차가 터널에 들어가는 순간부터 설명해볼게요. 열차가 시속 300km로 좁은 터널에 진입하면 앞쪽 공기가 옆으로 빠져나갈 틈이 없어서 주사기 피스톤에 밀리듯 압축돼요. 이렇게 만들어진 압축파는 음속으로 터널 안을 달려가는데, 문제는 이 파가 이동하면서 모양이 변한다는 거예요. 압력이 높은 부분은 온도가 높아 소리가 더 빨리 전달되니, 파의 뒷부분이 앞부분을 따라잡으면서 완만하던 압력 변화가 점점 가파른 벽처럼 서게 돼요. 충격파에 가까워지는 거죠.이 가파른 압력파가 터널 반대쪽 출구에 도달하면 갇혀 있던 압력이 바깥으로 한꺼번에 풀려나면서 펑 하는 저주파 굉음과 진동을 만들어요. 이게 미기압파라고 부르는 현상이에요. 소음이 관측되는 곳은 주로 출구쪽인데, 열차가 들어가는 진입 순간에 원인이 만들어지니 입구와 출구 양쪽이 다 관련된 셈이에요. 터널이 길수록, 열차가 빠를수록 파가 가팔라질 시간이 길어져 소음이 커지고 콘트리트 궤도처럼 매끄난 터널일수록 파가 덜 흩어져서 더 심해져요.그래서 대책은 압축을 천천히 일으키는 방향으로 가요. KTX 노선 터널 입구에 구멍 뚫린 후드를 길게 붙여놓은 걸 보셨을 텐데, 열차가 본터널에 닿기 전에 공기를 미리 조금씩 압축시켜 파의 시작을 완만하게 만드는 장치예요. 신칸센 열차 앞머리가 오리 부리처럼 길쭉한 것도 같은 목적이고요. 열차 속도가 올라갈수록 이 설계 싸움이 치열해져서, 차세대 고속열차 개발에서 미기압파 저감은 공기역학의 핵심 과제로 다뤄져요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.창문 바깥에 이슬이 맺히는 건 실내 냉방으로 유리가 차가워 졌기 때문이에요. 공기는 온도가 높을 수록 수증기를 많이 품을 수 있는데, 품을 수 있는 한계 온도 아래로 공기가 식으면 넘치는 수증기가 물방울로 변해요. 이 온도를 이슬점 이라고 해요.에어컨을 세게 틀면 실내가 시원해지면서 창 유리도 함께 시원해져요. 그 차가운 유리 바깥면에 한 여름의 덥고 습한 공기가 닿으면, 유리 근처 공기만 순간적으로 이슬점 아래로 식으면서 수증기가 물방울로 맺히는 거에요. 냉장고에서 꺼낸 음료수 캔 표면에 금방 물이 맺히는 것과 같은 현상이에요. 겨울에는 반대로 실내가 덥고 밖이 추우니 이슬이 창문 안쪽에 맺히는 거고요.바깥 습도가 높은 장마철이나 열대야에 특히 심하고, 이슬이 바깥면에 맺힌 거라면 집 안 습기 문제가 아니니 걱정할 일은 아니에요. 유리 자체가 얇거나 단창이면 더 잘생기는데, 이중창이나 단열 유리는 바깥면 온도가 덜 내려가서 이런 현상이 훨씬 적어요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.스테인리스 보온병에 레몬즙 정도는 괜찮아요. 스테인리스가 녹슬지 않는 건 표면에 크롬이 산소와 만나 만든 아주 얇은 보호막이 덮여있기 때문이에요. 이 막은 긁혀도 산소만 있으면 다시 생겨서, 레몬즙 수준의 산성으로는 뚫리지 않죠. 보온병에 주로 쓰는 스테인리스는 식품용으로 검증된 재질이라 산성 음료를 담아도 유해물질이 우러날 걱정은 안하셔도 돼요.조심할 건 산보다 염소 성분인데, 스테인리스 보호막의 약점이 염소라서, 소금기 많은 국물이나 스포츠 음료를 오래 담아두면 미세한 부식이 생길 수 있어요. 락스로 세척하는 것도 피해야 하구요.레몬즙을 타 드시는 건 괜찮은데 며칠씩 담아두지는 말고 드신 뒤 물로 헹궈주면 충분해요. 오히려 구연산은 스테인리스 보온병 물때 세척제로 쓰일만큼 스테인리스와 잘 지내는 성분이에요. :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.가공경화된 금속이 단단한 건 내부에 변형으로 생긴 결함이 잔뜩 엉켜 있기 떄문이에요. 원자 배열이 어긋난 자리들이 실타래처럼 뒤엉켜 원자층이 미끄러지지 못하게 막고 있는 상태라, 단단한 대신 잘 깨지는 성질이 돼요.여기에 열을 가하면 원자들이 활발히 움직일 에너지를 얻어요. 어닐링 온도 쯤 되면 엉킨 결함 투성이 조직 속에서 결함이 거의 없는 새 결정 알갱이가 싹트기 시작하고, 이 새 알갱이가 주변의 뒤틀린 조직을 잡아 먹으며 자라나요. 이게 재결정 이에요. 구겨진 종이를 새 종이로 갈아 끼우는 것과 비슷해서, 결함이 사라진 만큼 원자층이 다시 잘 미끄러지고 금속은 부드럽고 잘 늘어나는 상태로 돌아와요.재결정 온도는 대략 녹는점의 절반 수준이고, 가공을 심하게 한 금속일수록 쌓인 에너지가 많아 더 낮은 온도에서도 일어나요. 그런데 너무 오래 가열하면 알갱이가 지나치게 커져서 오히려 강도가 떨어지니, 온도와 시간을 맞추는게 중요하죠 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.전자의 파동 성질 떄문에 생기는 일이에요. 전자는 입자이면서 파동처럼 행동하는데, 그 파장이 대략 수 나노미터 정도예요. 물질이 충분히 크면 전자의 파동성은 평균에 묻혀서 드러나지 않고, 우리가 아는 보통의 전기적 성질만 보여요. 그런데 물질 크기가 전자 파장과 비슷한 수준까지 줄어들면 이야기가 달라져요.좁은 공간에 갇힌 파동은 아무 형태나 가질 수 없어요. 기타 줄이 길이에 따라 정해진 음만 내듯, 나노미터 크기 공간에 갇힌 전자도 허용된 에너지 값만 가질 수 있게 돼요. 이걸 양자 구속이라고 하는데, 공간이 좁아질수록 허용되는 에너지 간격이 벌어져요. 연속적이던 에너지가 띄엄띄엄한 계단이 되는 거죠.이 계단이 그대로 물성으로 드러나는데, 반도체 양자점은 입자 크기만 바꿔도 에너지 간격이 달라져서 같은 물질인데 크기에 따라 빨강부터 파랑까지 다른 색으로 빛나요. QLED TV의 색이 이 원리로 만들어져요. 얇은 금속막에서는 전자가 움직일 수 있는 통로가 제한되면서 전기저항이 이 두께에 따라 계단식으로 변하기도 하고, 표면 원자 비율이 커지면서 녹는점이나 화학 반응성까지 달라져요.그래서 재료를 바꾸지 않고 크기만으로 색과 전기 특성을 설계할 수 있고, 이게 나노기술이 주목받는 이유예요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.유리가 온도 변화에 깨지는 건 열을 받은 부분만 팽창하기 때문이에요. 뜨거운 것이 닿은 면은 늘어나려 하고 아직 차가운 면은 그대로 있으니, 유리 내부에 서로 당기는 힘이 생겨 금이 가는 거죠.내열 유리는 이 팽창 자체를 줄이는 방식이에요. 일반 유리에 붕소 산화물을 섞은 붕규산 유리는 열팽창 정도가 일반 유리의3분의 1수준이라, 안팎의 온도가 크게 달라도 늘어나는 양 자체가 작으니 내부에 쌓이는 힘도 작아요. 실험실 비커나 오븐 용기가 대부분 이 유리 예요. 애초에 몸을 안 움직이니 부딪힐 일도 없는 셈이죠.강화유리는 접근이 다른데, 유리를 고온으로 데웠다가 표면만 급랭시키면 표면이 먼저 굳고 내부가 나중에 식으면서, 표면을 항상 눌러주는 압축력이 갇혀요. 유리는 눌리는 힘에는 강하고 당겨지는 힘에 약한데, 온도 차로 당기는 힘이 생겨도 미리 눌러둔 힘이 상쇄해 주는 거죠. 같은 문제를 하나는 재료 배합으로, 하나는 열처리로 해결한 거라 비교해보면 재밌어요 ㅎ_ㅎ, 다만 내열 유리도 한계온도차는 있어서 냉동실에서 꺼내 바로 끓는 물을 붓는 건 피하는게 좋아요. :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.차선 페인트에는 지름 1mm도 안되는 작은 유리알 수만 개가 뿌려져 있어요. 이 유리알이 하는 일은 헤드라이트 빛을 온 방향으로 흩어버리는 게 아니라 빛이 온 방향 그대로 되돌려보내는 거예요. 빛이 유리알에 들어가면 굴절되고 알 뒷면에서 반사된 뒤 다시 굴절돼 나오는데, 구슬 모양 덕분에 나가는 방향이 들어온 방향과 거의 같아져요. 재귀반사라고 하는 원리인데, 고양이 눈이 밤에 빛나는 것도 같은 구조예요.이게 중요한 이유는 운전자 눈의 위치 때문이에요. 헤드라이트에서 나간 빛이 차선에 맞고 운전자 쪽으로 돌아와야 차선이 밝게 보이는데, 매끈한 페인트면 빛이 거울처럼 앞으로만 튕겨나가 운전자에게는 안돌아와요. 유리알이 빛을 광원 쪽으로 돌려보내니 밤에도 차선이 또렷한 거예요.비가 오면 사정이 달라지는데, 차선 위에 물막이 덮이면 빛이 유리알에 닿기 전에 물 표면에서 미끄러져 나가버려서 차선이 갑자기 안 보이는 거예요. 그래서 요즘은 물막 위로 튀어나올 만큼 큰 굵은 유리알을 쓰거나 차선을 볼록한 돌기 형태로 시공해서 빗길 시인성을 확보해요. 우천형 차선이라고 부르는 게 이거예요. :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.임플란트는 몸속이라는 가혹한 환경에서 수 십년을 버텨야 하는 재료예요. 몸은 이물질이 들어오면 면역 반응으로 공격하는데, 재료가 조금이라도 녹아 나오거나 독성 이온을 내면염증이 생기고 주변 조직이 망가져요. 아무리 강해도 몸이 거부하면 쓸 수 없으니 생체적합성이 강도보다 먼저인거죠. 체액은 따뜻한 소금물이라 부식 환경으로도 꽤 혹독하구요.표면이 중요 한 건 몸과 재료가 만나는 곳이 결국 표면이기 때문이에요. 뼈에 심는 임플란트는 뼈세포가 표면에 달라붙어 자라야 단단히 고정되는데, 세포가 잘 붙느냐는 표면의 거칠기와 화학 성분에 달려있어요. 그래서 티타늄 임플란트는 일부러 표면을 미세하게 거칠게 만들거나 뼈 성분과 비슷한 물질을 코팅해서 뼈가 파고들며 자라게 유도해요. 매끈한 표면보다 접착 면적이 넓어져 고정력이 훨씨 좋아지거든요.기계적으로도 균형이 필요한데, 재료가 뼈보다 지나치게 단단하면 하중을 재료가 다 가져가서 주변 뼈가 일을 안 하게 되고, 자극을 잃은 뼈는 점점 약해져요. 그래서 강하기만 한 재료가 아니라 뼈와 성질이 비슷하면서 몸이 받아들이는 재료를 찾는 게 임플란트의 설계의 포인트예요 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.복합재료에서 힘을 실제로 버티는 건 섬유예요. 탄소섬유는 강철보다 강한데 기지재인 수지는 그 보다 훨씬 약하거든요. 그런데 외부에서 들어온 힘은 먼저 기지재에 걸리고, 계면을 통해 섬유로 전달 돼요. 접착이 부실하면 힘이 섬유까지 못가고 기지재만 찢어져요. 아무리 강한 섬유를 넣어도 힘이 전달되지 않으면 놀고 있는 셈이라, 계면은 힘을 넘겨주는 다리 역할인거죠.접착이 약할 때 벌어지는 일이 섬유뽑힘이에요. 힘을 받으면 섬유가 끊어지는 게 아니라 수지에서 쑥 빠져버리는 건데, 젖은 모래에 꽂은 막대가 힘없이 뽑히는 것과 같아요. 섬유가 제 강도를 발휘하기 전에 재료가 망가지는 거죠. 층층이 쌓은 구조에서는 계면을 따라 층이 벌어지는 박리도 일어나요.그래서 실제 생산에서는 섬유 표면에 사이징이라는 접착 촉진 처리를 하고, 표면을 살짝 거칠게 하거나 화학적으로 활성화해서 수지와 잘 붙에 만들어요. 재미있는 건 접착이 무조건 강하다고 좋은 것도 아니라는 점이에요. 적당히 조절된 계면은 균열이 올 때 살짝 벗겨지면서 에너지를 흡수해 재료 전체가 한 번에 쪼개지는 걸 막아주거든요. 복합재료 설계에서 계면을 보이지 않는 제 3의 재료라고 부르는 이유도 이런 것 때문이죠 :)

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.액체 금속의 표면장력은 물보다 훨씬 강해요. 표면장력은 액체 내부 원자들이 서로 끌어당기는 힘에서 나오는데, 내부 원자는 사방에서 당겨져 안정적이지만 표면 원자는 바깥쪽에 이웃이 없어 에너지가 높은 상태거든요. 그래서 액체는 표면적을 최대한 줄이려 하고, 그 결과가 구형으로 뭉치려는 경향이에요. 녹은 강철의 표면장력은 물의 스무배 가까이 돼서 이 뭉침이 훨씬 강하게 나타나요. 연잎 위 물방울이 또르르 구르는 것보다 더 야무지게 방울 지는 셈이죠. 용접에서는 이게 양날의 검인데, 뭉치려는 성질 덕에 녹은 금속이 흘러내리지 않고 용접 부위에 머물러서 천장을 보고 하는 위보기 용접도 가능해요. 그런데 너무 강하게 뭉치면 모재에 넓게 퍼지며 붙어야 할 금속이 볼록한 비드로 솟기만 하고 접합이 얕아져요. 젖음성이 나쁘다고 하는 상태예요.그래서 실무에서는 표면 장력을 조절하는 게 기술이에요. 온도를 올리면 표면장력이 줄어 잘 펴지고, 보호가스 조성이나 플럭스 성분에 따라서도 달라져요. 표면의 산화막을 플럭스가 걷어내면 젖음 성이 확 좋아지거든요. 용접 비드가 예쁘게 나왔다는 건 이 힘들의 균형을 잘 잡았다는 거죠 :)