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꿀벌의 집 속에 육각형 있잖아요. 왜 만드는 이유가 먼가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.벌집이 육각형인 이유는 빈틈이 없게 만들면서도 공간이 넓은 형태를 취할 수 있기 때문입니다. 삼각형이나 사각형에 비해 공간을 크게 만들 수 있어서 더 많은 양의 꿀을 채울 수 있으며, 서로 맞닿은 면에 빈틈이 없기 때문에 불순물이 들어가는 것도 막을 수 있습니다. 벌집의 육각형 구조는 매우 안정적이면서 재료의 양에 비해 넓은 공간을 형성하기 때문에 경제학적으로도 완벽한 구조라고도 합니다. 인간이 벌집의 구조에 관심을 가지고 관찰한 결과 벌집의 육각형 형태는 벌이 안든 것이 아니라 표면징력에 의해 생겨난 형태란 것을 알게 되었습니다. 원형이었던 밀랍의 벌집이 벌의 체온에 의해서 녹으면서 표면장력이 작용하여 육각형 형태로 변하게 된다는 것을 알게 된 것입니다. 우선 벌들이 원형의 벌집을 만들게 됩니다. 그 후 벌들의 체온에 의해 45도 정도가 되면 밀랍이 말랑말랑한 상태가 되는데, 이때 다른 공간의 면 3개가 맞닿아 있는 부분에서 표면장력이 작용하면서 육각형으로 변하게 됩니다. 그 후 벽면이 마르면서 육각형의 모양을 유지하게 됩니다. 앞에서 설명했듯이 원형의 형태가 모여 있으면 빈틈이 생겨 사이에 불순물이 들어갈 수 있지만 육각형이 되면서 벽 사이 틈이 없어 불순물을 막게 됩니다. 육각형은 외부로 부터 압력이 작용했을 때 다른 도형에 비해서 힘 분산이 잘되기 때문에 쉽게 부셔지지 않아 안정적인 구조이기도 합니다.
학문 / 생물·생명
23.03.23
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단열재로 많이 사용되고 있는 스치로폴이 있습니다. 이것은 매우 가볍습니다. 또 두껍고요.
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.스티로폼이 단열재로 많이 사용되는 이유는 열전도율이 낮기 때문입니다. 스티로폼은 다공질의 기포플라스틱 형태인데, 재료 자체의 열전도율도 낮은 편이지만 현미경으로 확대하여 보면 스펀지처럼 미세한 기포가 형성되어 있어 열전도율이 낮아질 수 있게 해주는 것입니다. 건축물의 단열재나 아이스박스 등 냉기나 온기를 막아주는 용도로 많이 사용되고, 충격흡수 효과도 있어서 충격 보호를 위해 여러 종류의 제품을 감싸서 유통하는데 사용됩니다.스티로폼 외에도 다양한 재료의 단열재가 있습니다. 주로 재료의 열전도율이 낮고, 미세한 기포를 가지고 있습니다. 대부분 시공성이 좋은 재료 위주로 생산하고 있으며 판재형태를 부착하거나 액상형태를 뿌려서 부착된 부위에서 부풀어 오르게 하는 방법 등으로 시공되고 있습니다.
학문 / 기계공학
23.03.23
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비가 오면 차선이 잘 안 보이는 이유가 알고 싶어요
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.차선이나 도로에 그려진 사인물이 새로 그려진지 얼마 되지 않았을 때는 야간이나 우천시 잘 보일 것입니다. 하지만 어느 정도 시간이 지나면 도료의 손상이나 부실한 시공 문제로 잘 보이지 않게 되는 경우가 많습니다. 그 원인을 아래에 설명드리겠습니다.부실한 시공의 경우를 먼저 설명드리겠습니다. 도로에 그려지는 차선을 포함한 사인물은 도료로 그린 후 유리가루를 그 위에 뿌려 정착시키는 방식으로 작업됩니다. 도료이 정착된 유리가루가 빛을 반사해서 야간이나 우천시 눈에 잘 보이도록 하기 위한 것입니다. 이때 유리가루가 잘 정착되고 오래 유지되게 하려면 그만큼 성능이 좋은 도료를 사용해야 합니다. 그렇지만 시공비용을 아끼기 위해서 성능이 떨어지는 도료를 사용하게 되면서 유리가루가 쉽게 상실됩니다. 그렇게 되면 야간이나 우천시 차선 및 도로에 그려진 사인물 등이 잘 보이지 않게 됩니다. 유리가루가 너무 적은 경우도 비슷한 문제가 발생할 수 있습니다. 해당 문제는 수년 전부터 기사화 되어 지적되었지만 여전히 문제 해결에 필요한 기준이 마련되지 않고 있습니다. 그 다음은 차선과 사인물을 그린 도료가 많이 손상되어 흐려졌을 때입니다. 이는 자동차가 지나다니면서 차선과 사인물을 밟게 되는 경우가 많은데 그로 인해서 손상되어 야간이나 우천시 잘 보이지 않는 정도가 된 것입니다. 그런 경우에는 재시공 하면 대부분 해결이 됩니다. 한가지 추가를 하자면 비가 너무 많이 내려서 차선과 사인물까지 빛이 도달하지 못할 정도로 차올랐을 때입니다. 배수가 원활한 곳이라도 폭우에 의해서 그렇게 될 수도 있는데 그럴 때는 수면이 빛을 반사해서 차선이 잘 안 보일 수 있습니다. 하지만 차선과 사인물에 유리가루를 정착시키는 시공방식은 야간과 우천시 눈에 잘 보이라고 마련된 것이기 때문에 제대로 시공된다면 많이 해결될 수 있는 부분입니다. 대부분이 성능이 떨어지는 도료의 사용으로 인해 유리가루가 잘 정착되지 않아 생기는 문제입니다.
학문 / 토목공학
23.03.23
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왜 사향고양이만 루왁커피를 만들 수 있는건가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.루왁커피는 사향고양이 중에서도 남아시아에 서식하는 아시아야자사향고양를 통해서만 발효됩니다. 사향고양이는 잡식성인데 질 좋은 커피 열매를 즐겨 먹습니다. 커피열매는 씨앗이 되는 생두와 과육, 외피로 이루어져 보통의 열매와 비슷합니다. 사향고양이가 커피열매를 먹으면 외피와 과육은 소화가 되지만 그 안에 생두는 소화가 되지 않고 소화기관을 거쳐서 배설물로 나오게 됩니다. 생두가 소화가관을 지나면서 분해효소가 작용하여 풍미를 더하면서 아미노산으로 인해 쓴맛도 가미됩니다. 그렇지만 소화가 되지 않고 그대로 배출되는데 그것을 세척 및 살균을 거치고, 로스팅으로 향을 내는 과정을 거쳐서 커피로 내려질 수 있는 겁니다.루왁커피는 산미가 적고 특유의 향을 가지고 있어 매니아층이 형성되었습니다. 품질이 좋은 루왁커피는 한 잔에 10만원 정도의 고가 음료기 때문에 욕심이 생긴 인간들이 좋지 않은 환경에 가축처럼 사육하며 커피열매만 먹여 영양실조에 걸리거나 극심한 스트레스를 받게 한다고 이슈가 된 적이 있습니다. 현재도 그러는지 모르겠지만 대부분의 품질이 좋은 루왁커피는 자연에서 발견된 것을 사용하고 있습니다.루왁커피는 아니지만 베트남에 사향족제비배설물에서 채취된 원두로 만든 커피도 있습니다. 루왁커피와 비슷한 이유에서 맛이 좋은 커피를 얻을 것으로 생각되는데 가격은 저렴한 편입니다. 그렇다고 해서 대단히 맛있는 것은 아니고 부드러우면서 독특한 풍미는 가진 커피입니다. 사향고양이가 고양이과이기는 하지만 외형이 족제비나 너구리, 몽구스 같은 동물과 닮아 있는 것을 볼 수 있는데 어쩌면 고양이 보다 족제비에 더 가까운 것이 아닐까 생각됩니다. 그렇기에 루왁커피처럼 위즐(족제비)커피도 생산이 가능한 것이 아닐까요?(알 수 없는 부분이기에 추측만 해봅니다.)고양이가 커피에 함유된 카페인을 지속적으로 먹게 되면 간과 중추신경계에 문제가 생길 수 있습니다. 하지만 카페인은 커피 열매의 과육에 있는 것이 아니라 씨앗인 생두에 있는 것이기 때문에 씨앗을 그대로 배출하는 사향고양이에게는 문제가 없을 것으로 봅니다.
학문 / 화학
23.03.23
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하루살이는 왜 하루 밖에 못 사는가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.하루살이는 아성충과 성충 시기를 합쳐서 일주일 내외를 살 수 있습니다. 애벌레 시기(1~3년)동안 수중에서 살다가 아성충 시기부터 육지에서 살아갑니다. 성충이 된 후에는 찍짓기를 하고 보통 한시간에서 이틀 내외로 죽게 됩니다. 운이 좋으면 일주일 이상 사는 개체도 있습니다.하루살이가 애벌레 시기에는 구기(입)가 발달되어 먹이활동을 왕성하게 하지만 아성충과 성충은 구기가 퇴화되어 있습니다. 어른벌레 시기는 입이 퇴화되어 소화기관을 갖추고 있지 않습니다. 그렇기 때문에 수명이 짧습니다. 성충이 된 후에는 수명이 짧아 번식을 목적으로 살아갑니다.
학문 / 생물·생명
23.03.22
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초가집도 과학적인 원리가 있을까요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.우리나라 전통건축물의 구조체는 하중을 고르게 분산시키기 위한 형태를 갖추고 있습니다. 단순히 기둥과 보만으로 구성하려고 한다면 현대 건축물의 경우 강도가 높은 콘크리트나 철근을 이용하여 부재 크기를 줄일 수 있고, 부재 크기를 줄일 필요성이 적다면 큰 부재를 만들어내기 쉬운 편입니다. 전통건축물의 경우 나무를 사용하기 때문에 인위적으로 강도를 높일 수 없고, 크기 또한 인위적으로 키울 수 없습니다. 그렇기 때문에 기둥과 보 외에도 다양한 부재들을 함께 사용해서 매우 효율적으로 하중을 분산시켜줬던 것입니다. 그리고 기둥 하부에 주춧돌을 둠으로써 하중(골조를 구성하는 부재의 한 점에 힘이 가해지면 부재를 회전시키려는 힘이 발생합니다. 혹은 어떤 부재가 힘에 의해 휘어지려 할 때 연결되어 있던 다른 부재에 회전시키려는 힘이 발생되기도 합니다)에 의해서 기둥이 움직이지 않고 지면으로 하중을 전달할 수 있게 했습니다. 한옥의 구조체는 힘을 매우 효율적으로 분산시키면서 지면까지 보내기 적합하게 구성되어 있습니다. 초가집, 너와집, 기와집 등은 환경과 재력에 따라서 사용할 수 있는 마감재이며 마감재가 가벼울수록 구조체의 구성을 간소화할 수 있습니다. 초가집이나 너와집 같은 경우 기와에 비해서 많이 가벼운 재료였기에 구조체에 대한 공정도 쉬워지고, 큰 돈이 들지 않아 서민들이 지어서 살기에 좋았던 것입니다.
학문 / 지구과학·천문우주
23.03.22
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목소리만으로 유리잔을 깰 수 있나요 ??
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.모든 물체들은 고유의 진동수(진동주기)가 있습니다. 직접 치거나 외부에서 같은 진동수의 소리를 흘려 보내면 해당 물체가 반응하여 진동하게 됩니다. 와인잔도 그 진동수가 있습니다. 음감이 좋고, 목소리로 그 진동수와 비슷한 소리를 낼 수 있는 능력이 된다면 목소리로 와인반을 깨는 것이 가능합니다. 어떻게 소리로 와인잔을 깰 수 있는지에 대해서 그네를 예로 들어 보겠습니다. 그네를 뒤에서 밀 때 뒤로 올라갔다가 내려오는 타이밍을 잘 맞춰서 밀었을 때 힘이 덜 들면서 그네가 높이 올라갈 수 있게 밀 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 물체를 진동하게 하는 것도 비슷합니다. 고유의 진동수에 따라 진동하는 주기가 있는데 그 주기에 맞춰서 비슷한 진동수의 소리를 지속 적으로 흘려보내면 진동은 점점 커지게 됩니다. 그러다가 물체의 강도를 넘어서게 되면 그 물체가 깨질 수 있는 것입니다.와인잔의 경우 유리가 얇아 강도가 약하기 때문에 목소리로도 깨는 것이 가능합니다. 오래 전 스펀지라는 프로그램에서 가수 김종서님께서 나오셔서 실험에 도움을 줬는데 그때 와인잔을 손톱으로 팅겨 소리를 들어 본 후 그 음을 찾아 목소리로 내준 결과 와인잔에 꽂아둔 빨대가 흔들려서 튕겨져 나가고, 잔이 깨지기까지 했습니다. 그렇게 해당 음을 낼 수 있는 사람이라면 목소로로 와인잔을 깰 수 있습니다.
학문 / 화학
23.03.22
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뜨거운 공기는 위로가고 차가운 공기가 내려가는 이유가 궁금합니다.
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.공기의 밀도 차이로 인한 현상입니다. 공기의 온도가 높아질수록 밀도가 낮아지고, 온도가 낮아질수록 밀도가 높아집니다. 그 사이에 상온의 공기층이 들어가게 되면 밀도에 의해 온도마다 공기층이 생겨날 것입니다.유기체의 온도가 높아질수록 분자운동이 활발해지면서 밀도에 차이가 발생하면서 공간에 제약이 없다면 밀도가 낮아지면서 압력 또한 낮아질 수 있습니다. 그런 상태에서 같은 부피의 공기 질량도 차이가 발생하는데, 따뜻한 공기가 일정 공간 안에 분자수가 차가운 공기의 분자수 보다 적기 때문에 질량이 낮아집니다. 정리하자면 공기가 따뜻해질수록 분자운동이 활발해져 그 사이 간격이 늘어나서 밀도가 낮아집니다. 공간 제약이 없는 곳에서 밀도가 낮아지면 기압도 낮아지고 단위 부피 당 분자수가 적어서 질량도 낮아집니다. 질량이 낮을수록 위로 뜨고, 질량이 높을수록 아래로 가라앉습니다. 기압이 낮을수록 위로 뜨고, 기압이 낮을수록 아래로 가라앉습니다. 공기 밀도 차이가 이 두 조건을 만들게 되는 것입니다.
학문 / 화학
23.03.21
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왜 털을 자른곳은 굵은털이 나는건가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.우리 피부에 있어 모근의 줄기세포에서 자라나는 털은 일정한 크기를 가지고 있으며 몸에서 멀어질수록 굵기가 가늘어지는 특징이 있습니다.그러므로 털을 자르고 나면 다시 자랄 때 굵게 자란다는 것은 맞지 않습니다. 다시 자랄 때 짧으면 잘 휘어지지 않고 길어질수록 잘 휘어지기 때문에 짧을 때가 굵어서 그렇다 생각할 수 있습니다.
학문 / 화학
23.03.19
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최근 유리섬유로 만든 철근이 쓰이고 있다고 하던데..
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.철근콘크리트 구조에서 철근의 역할은 인장력을 분담하는 것입니다. 그래서 콘크리트의 인장강도가 약하다는 단점을 보완해주는 것입니다. 구조체는 눌리는 힘만 작용되는 것이 아니라 휘어지는 부분에는 늘려지는 인장력도 작용되는데, 콘크리트는 압축에 강하지만 인장에 약하고 철근은 압축에 약하지만 인장에 강합니다. 그리고 철근과 콘크리트는 열에 대한 팽창률이 거의 같기 때문에 서로의 단점을 보완하면서 안정적인 형태를 유지할 수 있습니다. 철근은 공기나 수분에 의해 산화되어 부식이 되는데, 이를 알칼리성인 콘크리트가 감싸서 방지해주고 공기와의 접촉을 차단해 장기간 강도를 유지해줍니다. 하지만 그것은 완벽에 가깝게 시공되어지고, 콘크리트에 균열이 생기지 않았을 때 이야기입니다. 실제로는 건축물이 세월이 지날수록 여러가지 요인에 의해 콘크리트에 균열이 생기고, 그 틈으로 들어간 공기나 수분이 철근을 부식시켜 산화철(녹)을 발생하면서 팽창하고 강도가 약해집니다. 그러면 구조적으로 빈틈이 생겨나고 무너지기 쉽습니다. 이를 보완하기 위해서 유리섬유강화폴리머(GFRP) 보강근이 만들어진 것입니다. GFRP 보강근은 기존 철근과 열팽창계수가 같아 철근과 팽창률이 거의 같습니다. 강도는 기존 철근의 2~4배 가량 강합니다. 무게는 철근 보다 1/4가량 가벼워 운반 및 적재가 용이합니다. 녹이 슬지 않습니다. 내구성이 강합니다. 그 외에도 생산할 때 철근이 1600도 이상 고온으로 생산되지만, GFRP 보강근은 훨씬 낮은 온도에서 생산되어서 이산화탄소 배출도 저감되어 환경적인 측면에서도 나쁘지 않습니다. 이러한 특징을 볼 때 기존 철근 보다 매력적인 자재인 것은 분명합니다. 아직은 사용하는 현장이 많지 않지만 가격도 기존 철근 보다 20% 정도 저렴하다는 업체가 있다고 하니 점차 사용하는 현장이 늘어날 것으로 예상됩니다.
학문 / 토목공학
23.03.17
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