답변 내역

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.방송 스펀지에 등장했던 젖지 않는 물의 정체는 진짜 물이 아닌 플루오르화 케톤이라는 불소계 화합물입니다. 이 물질의 과학적 원리와 궁금해하시는 질문에 대해 설명해 드리겠습니다.젖지 않는 원리와 제조 배경은 이 물질이 케톤 화합물의 수소 원자를 불소로 치환하여 인위적으로 합성한 특수 액체이며, 끓는점이 49°C로 물에 비해 매우 낮고, 기화하는 데 필요한 에너지가 물의 25분의 1 수준에 불과하기 때문에 종이나 휴지를 담갔다 빼도 액체가 물체 표면에 머물지 않고 눈 깜짝할 사이에 증발해 버리기 때문에 전혀 젖지 않는 것처럼 보입니다. 그리고 전기가 통하지 않고 화학적으로 매우 안정되어 있어, 액체 속에서 작동 중인 스마트폰이나 컴퓨터를 넣어도 합선이 일어나지 않습니다. 원래는 데이터센터나 박물관처럼 물을 쓰면 안 되는 곳의 화재를 진압하는 청정소화약제나 정밀 부품 세정제로 개발된 물질입니다.첫번째 질문에서 사람이 마시면 안 됩니다. 화학물질 자체는 인체 독성이 거의 없도록 설계된 무독성 물질이 맞지만, 끓는점이 49°C에 불과해 마시는 순간 체온과 위장 내부의 열기에 의해 체내에서 급격하게 가스로 기화합니다. 위장 안에서 액체가 갑자기 수백 배의 가스로 팽창하면서 위장 팽창, 장 천공, 기구 역류로 인한 질식 등 치명적인 물리적 손상을 일으키므로 절대 음용할 수 없습니다.두번재 질문에서 물고기가 살 수 없습니다. 물고기의 아가미는 물 분자 사이에 녹아 있는 용존 산소를 흡수하도록 최적화되어 있는데, 플루오르화 케톤은 화학 구조가 물과 완전히 달라 아가미를 통한 정상적인 산소 교환이 불가능합니다. 밀도가 물의 약 1.7배로 매우 비중이 커서 물고기가 정상적으로 지느러미를 젓거나 부력을 유지하기 어렵습니다. 그리고 표면장력이 매우 낮아 물고기 표면의 보호 점막층을 손상시키고 삼투압 균형을 무너뜨려 얼마 지나지 않아 질식하게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.피겨 스케이팅 선수가 회전 속도를 급격히 올릴 수 있는 이유는 각운동량 보존 법칙과 관성 모멘트의 관계 때문입니다. 구체적인 원리에 대해 자세히 설명해 드릴게요.관성 모멘트는 회전하는 물체가 원래의 회전 상태를 유지하려는 성질로, 질량이 회전축으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 나타냅니다. 회전축으로부터 질량까지의 거리가 멀어질수록 관성 모멘트는 거리의 제곱에 비례하여 커지는 원리입니다. 각운동량 보존 법칙은 회전하는 계에 외부의 돌림힘이 작용하지 않는다면, 그 물체의 각운동량은 항상 일정한 값으로 유지된다는 법칙으로, 각운동량은 관성 모멘트와 회전 속도의 곱으로 계산됩니다. 이 법칙들을 적용하면, 스케이트 날과 빙판 사이의 마찰이 매우 작아 외부 돌림힘이 거의 없는 상태에서, 선수가 팔과 다리를 몸 안쪽으로 끌어당기면 회전축과의 거리가 줄어들어 관성 모멘트가 급격히 감소하게 되고, 전체 각운동량을 일정하게 보존해야 하므로, 관성 모멘트가 줄어든 만큼 회전속도가 반대적으로 커져 회전이 빨라집니다.이런 현상들은 이번 아시안게임에 다이빙 선수들에게서 볼 수 있었는 데요. 공중 회전 동작을 할 때 몸을 최대한 동그랗게 웅크려 회전 속도를 높이고, 물에 들어가지 직전에 몸을 쫙 펼쳐 회전을 멈춥니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.무반사 코팅이 반사광을 차단하는 과학적 원리는 빛의 파동성을 이용한 상쇄 간섭 때문입니다. 관련된 원리를 구체적으로 설명해 드리도록 하겠습니다.빛이 코팅된 렌즈 표면에 도달하게 되면, 일부는 공기와 코팅층 사이의 경계면에서 반사되고, 일부의 빛은 코팅층을 지나 코팅층과 렌즈 사이의 경계면에서 반사되어 두 줄기의 반사파가 형성됩니다. 빛은 파동의 연속인데, 코팅층의 두께를 빛 파장으로 정밀하게 제어하면, 첫 번째 반사파의 두 번째 반사파가 서로 완벽하게 겹치게 되면 상쇄 간섭이 일어나 반사광이 눈에 보이지 않게 됩니다.반사되어 밖으로 튕겨 나갈 빛 에너지가 상쇄되면, 그 에너지는 사라지는 것이 아니라 렌즈 안쪽으로 더 많이 투과되기 때문에 반사광은 감소하고 투과하는 빛의 양이 늘어나 시야가 한층 투명하고 밝아집니다. 빛은 색상마다 파장이 다르기 때문에 단 하나의 코팅층만으로는 특정 파장만 차단할 수 있어 실제 렌즈에는 굴절률과 두께가 서로 다른 박막을 여러 겹 쌓는 다층 코팅을 적용하여 가시광선 전 영역의 반사를 동시에 억제합니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.비닐 랩이 접착제 없이도 유리나 도자기 표면에 잘 달라 붙는 이유는 반데르발스의 분자 간 인력과 정전기, 그리고 대기압 차이가 복합적으로 작용하기 때문입니다. 이와 관련하여 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.비닐 랩은 매우 얇고 부드러워 유리나 도자기처럼 매끄러운 표면에 대면 넓은 면적이 밀착됩니다. 물질과 물질 사이의 거리가 미세한 수준으로 가까워지면, 모든 분자 사이에 작동하는 약한 힘인 반데르발스 힘이 작용하여 표면에 잘 달라 붙게 됩니다. 또한, 랩을 롤에서 떼어내거나 펼치는 과정에서 마찰에 의해 정전기가 쉽게 발생하는데, 전기 절연체인 비닐 랩에 생겨난 정전기가 유리나 도자기 표면의 전하를 유도하면서 서로 끌어당기는 작용을 합니다. 부드러운 랩을 용기 표면에 밀착시키면 랩과 용기 사이의 공기가 밖으로 밀려나가데 되는데, 두 표면 사이의 공기층이 사라져 내부 압력이 낮아지면, 외부 대기압이 랩을 용기 쪽으로 꾹 눌러주는 효과가 생겨 쉽게 떨어지지 않습니다. 이외에도 소재의 특성이나 첨가제의 영향으로 접착제가 없어도 스스로 겹치거나 유리에 들러붙는 성질이 강화됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.욕실 거울에 김이 서렸을 때 비누칠을 해두면 김이 서리지 않는 이유는 비누에 포함된 계면활성제가 물의 표면장력을 낮추어, 수증기가 미세한 물방울로 뭉치는 대신 얇은 수막으로 넓게 펼쳐지게 만들기 때문입니다. 구체적인 원리에 대해 설명해 드리도록 하겠습니다.샤워할 때 생긴 따뜻한 수증기가 차가운 거울에 닿으면 수많은 미세한 물방울로 맺히게 되는데, 이 미세 물방울들이 빛을 사방으로 흩뜨리는 난반사를 일으키기 때문에 거울이 뿌옇게 보이게 되는 것입니다. 비누의 주성분인 계면활성제는 물과 잘 결합하는 친수성기와 기름과 결합하는 친유성기를 모두 가지고 있어, 거울 표면에 얇게 남아있는 비누 성분은 물 분자끼리 끌어당기는 힘인 표면장력을 약화시킵니다. 표면장력이 약해지면 맺히는 물이 동그랗게 뭉치지 못하고 거울 표면에 납작하게 펴지며, 미세 물방울 대신 하나의 평평하고 투명한 얇은 물막이 만들어지면서 빛이 난반사 없이 똑바로 반사되어 거울이 맑게 보입니다.팀을 드리자면, 비누를 바른 뒤 물로 바로 씻어내면 비누막이 지워지므로, 살짝 칠한 후 마른 헝겊이나 휴지로 얼룩이 보이지 않을 때까지 살살 문질러 닦아내는 것이 가장 오래 유지됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.강한 바람이 닫힌 창문의 미세한 틈새를 지날 때 이상한 휘파람 소리가 나는 이유는 유체의 속도가 빠르게 증가하고 주기적인 공기 소용돌이 형성, 그리고 창문 구조의 공명 현상이 결합되어 일어나는 현상 때문입니다.넓은 야외에서 불던 바람이 창틀의 아주 미세한 틈새로 들어오면 공기의 흐름 속도가 순간적으로 폭발적으로 빨라지게 되는데, 통로의 면적이 좁아질수록 동일한 양의 공기가 지나가기 위해 유속이 가속되어야 하기 때문입니다. 이 빠른 유속이 소리를 발생시키는 에너지가 됩니다. 빠른 속도로 틈새를 통과한 공기가 창틀의 날카로운 모서리나 각진 단면을 치고 나갈 때, 공기 흐름이 뒤틀리면서 규칙적인 공기 소용돌이가 잇따라 발생하고 떨어져 나가는 현상이 일어나면, 이 소용돌이들이 공기 중에서 좌우로 번갈아 박리를 일으키며 주기적인 공기 압력 파동을 만들어 냅니다. 바람의 속도가 빠를수록 단위 시간당 만들어지는 소용돌이의 개수가 늘어나 진동수가 올라가며, 이 진동이 우리 귀에 높은 음의 소리로 전달됩니다.또한, 사람이 입술을 좁혀 바람을 불면 휘파람 소리가 나고, 플루트나 리코더에 바람을 넣으면 특정 음이 나는 것과 완전히 동일한 구조입니다. 좁은 틈새와 그 뒤로 이어지는 창틀 내부의 작은 빈 공간이 일종의 공명관 역할을 하여 틈새에서 생성된 공기 진동 중에서 창틀 틈새의 길이, 깊이, 넓이에 딱 맞아떨어지는 특정 주파수가 증폭됩니다. 이 때문에 단순히 바람 스치는 소리가 아니라 우우 하는 맑고 명확한 고음의 휘파람 소리로 거세게 울려 퍼지게 됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.우리나라에서 계절에 따라 낮과 밤의 길이가 달라지는 이유는 지구 자전축이 약 23.5도 기울어진 채로 태양 주위를 공전하기 때문입니다. 이와 관련하여 자세히 설명해 드릴게요.지구는 자전축이 공전 궤도면에 대해 수직이 아니라 약 23.5도 기울어진 상태를 유지하며 1년에 한 바퀴씩 태양 주위를 공전합니다. 이 기울어진 상태 때문에 지구가 공전 궤도상의 어느 위치에 있느냐에 따라 북반구가 태양을 향하는 정도가 계속해서 달라지게 됩니다. 여름이 되면 지구의 공전 위치상 북반구가 태양 쪽을 향해 기울어져 있어, 태양이 동북쪽에서 일찍 떠올라 높은 남중 고도로 지나간 뒤 서북쪽으로 늦게 집니다. 따라서 태양이 지평선 위에 머무르는 이동 경로가 매우 길어지므로 낮이 길어지고 밤이 짧아집니다. 반대로, 겨울이 되면 지구가 태양 반대편으로 이동하여 북반구가 태양 반대쪽으로 기울어지게 되어, 태양이 동남쪽에서 늦게 떠올라 낮은 남중 고도로 지나간 뒤 서남쪽으로 일찍 넘어가 버립니다. 따라서 태양이 지평선 위에 머무르는 시간이 대폭 줄어들어 낮이 짧아지고 밤이 길어집니다. 만약 지구의 자전축이 기울어지지 않고 공전 궤도면과 수직이었다면, 1년 내내 지구상의 모든 지역에서 매일 낮 12시간, 밤 12시간으로 동일했을 것이며 계절의 변화나 낮·밤 길이의 변화도 일어나지 않았을 것입니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.탄산음료가 치아를 상하게 하고 약하게 만드는 이유는 산성 성분에 의한 치아 표면의 화학적 용해와 당분을 먹고 자라는 구강 균의 산 생성이라는 두 가지 측면이 작용하기 때문입니다. 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.우리 치아의 가장 겉면은 인체에서 가장 단단한 조직인 법랑질로 싸여 있는데, 이 법랑질의 96% 이상은 칼슘과 인이 결합되어 있는 무기물 결정 구조로 이루어져 있습니다. 탄산음료에는 이산화탄소가 녹아 생긴 탄산뿐만 아니라, 청량감과 유통기한을 늘리기 위해 인산이나 구연산 같은 강한 산성 첨가물이 들어기 때문에 매우 강한 산성을 띱니다. 그런데 입안에 산성 음료가 들어오면 음료 속의 수소 이온이 치아의 결정 구조에 침투하여 결합을 깨뜨리고 칼슘 이온과 인산 이온을 밖으로 녹여 빠져나가게 만들어 치아 겉면이 부식되고 표면에 미세한 구멍들이 생기며 얇아지게 됩니다. 또한, 대부분의 탄산음료에는 대량의 설탕이나 액상과당이 들어 있는데, 구강 균은 이 당분을 먹이로 삼아 섭취하고, 대사 부산물로 젖산 같은 유기산을 만들어 배출합니다. 탄산음료 자체의 산성 성분이 1차로 치아 표면을 부식시킨 자리에, 세균이 만들어낸 산이 2차로 작용하면서 치아 부식과 충치 생성이 가속화됩니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.고산지대 주민들이 산소 부족 환경에서도 문제없이 생활할 수 있는 이유는 수천 년에 걸친 유전적, 진화적 적응과 어릴 때부터 형성된 생리적 적응 덕분입니다. 이는 단순히 일시적으로 환경에 적응한 수준이 아니라, 인체의 산소 흡수 및 이용 체계 자체가 희박한 공기 환경에 맞게 바뀌었습니다.가장 결정적인 원인은 유전자에 있습니다. 대표적으로 티베트인과 셰르파는 EPAS1이라는 특이 유전자 변이를 가지고 있어, 보통 사람은 산소가 부족하면 적혈구를 무작정 늘려 혈액을 끈적하게 만들지만, 티베트인은 적혈구 수를 필요 이상으로 늘리지 않으면서도 혈관을 확장해 산소를 세포 구석구석으로 효율적으로 전달합니다. 반면 안데스산맥 주민들은 가슴과 폐용적이 크게 발달해 한 번에 마시는 공기량을 늘리는 방향으로 진화했으며, 에티오피아 고원 주민들 역시 적혈구를 과도하게 늘리지 않고도 정상 산소 농도를 유지하는 독자적인 유전적 기전을 갖고 있습니다.유전적 요인 외에도 성장 과정에서 형성되는 후천적 생리 변화가 큰 역할을 합니다. 산소가 부족한 환경에서 태어나 자란 사람들은 신체 발달 과정에서 폐의 가스 교환 효율이 극대화되며, 장기와 근육으로 산소를 공급하는 모세혈관망이 일반인보다 훨씬 촘촘하게 형성됩니다. 이 덕분에 심장에 큰 부담을 주지 않고도 원활한 혈액 순환과 산소 공급이 가능해집니다.

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.온실효과는 지구로 들어오는 태양 에너지가 방출되는 과정에서 일어나는 열복사 현상으로, 태양에서 방춤된 복사 에너지는 대기를 통과해 지표면에 흡수되며 지표를 가열합니다. 열을 흡수한 지표면은 이 에너지를 적외선 형태의 복사로 우주로 다시 방출하는데, 이때 대기 중에 있는 온실가스가 방출되는 적외선의 일부를 흡수한 뒤 지표면과 하층 대기 방향으로 다시 방출합니다. 이러한 자연적 온실효과는 지구의 평균 기온을 약 15°C 안팎으로 일정하게 유지시켜 생명체가 살아갈 수 있는 필수적인 환경을 만들어 줍니다.그러나 대기 중 온실가스 농도가 급격히 높아지면서, 우주로 빠져나가야 할 열이 필요 이상으로 지구 대기권 안에 갇혀 지구의 평균 기온이 지속적으로 상승하는 지구온난화가 발생하고 있습니다. 온실효과 일으키는 가장 핵심적인 원인은 화석 연료의 사용입니다. 전력 생산, 공장 가동, 교통수단 운행을 위해 석탄, 석유, 천연가스를 연소할 때 대량으로 배출되는 이산화탄소는 전체 인위적 온실효과 영향의 과반수 이상을 차지합니다.이산화탄소 외에도 강력한 열 흡수 능력을 가진 여러 기체와 환경 파괴가 온실효과를 가속하고 있습니다. 가축의 소화 과정, 논농사, 폐기물 매립 등에서 발생하는 메탄은 대기 중 농도는 낮지만 이산화탄소보다 열을 가두는 능력이 약 30배 이상 높으며, 농업용 질소 비료 사용으로 발생하는 아산화질소와 에어컨 냉매 및 반도체 공정에 쓰이는 플루오린화 가스 역시 막대한 온실효과를 유발합니다.