안녕하세요 김두환 전문가입니다.
Q. 수직항력 작용반작용이 이해가 안되요
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.모니터는 책상위에 정지한채로 가만히 있습니다. 움직이지 않고 있죠. 이 의미는 마치 모니터에는 어떠한 힘도 작용하지 않는 것처럼 보입니다. 왜냐하면 정지해있기 때문이죠. 보통 물체에 힘을 주면 물체는 움직이거나 형태가 일그러지기 마련입니다. 그런데 모니터는 형태도 유지되고 움직이지도 않습니다. 우리는 모니터에 중력이 작용하는 것을 알고 있습니다. 왜냐하면 질량을 가진 모든 물체는 만유인력의 지배를 받기 때문이죠. 즉, 지구와 모니터 사이에 만유인력이 중력으로 작용하고 있습니다. 중력이 작용한다는 것은 외부에서 힘이 작용한다는 이야기이고, 모니터는 힘을 받아 지구중심방향으로 떨어져야합니다. 그런데, 신기하게도 모니터는 떨어지지지도 않고, 모양이 찌그러지지도 않고 있습니다. 왜냐하면 모니터는 굉장히 견고한 물질로 원자간, 분자간 전기력이 중력에 의한 찌그러뜨림보다 강하기 때문에 형태는 유지됩니다. 그럼 낙하하지 않는 이유도 금방 찾을 수 있습니다. 책상이 모니터를 받치고 있기 때문입니다. 그래서 모니터에 작용하는 힘으로는 중력과 책상이 모니터를 받치는 힘이 존재하죠. 이 두 힘은 평형을 이루고 있기 때문에 모니터는 움직이지 않고 멈춰있습니다. 책상이 모니터를 떠받치는 힘을 수직항력이라고 하며, 중력과 같은 크기의 힘으로 중력과 수직항력은 서로 힘의 평형을 이루고 있습니다. 그래서 모니터에 작용하는 힘이 0이 되어 움직이지 않죠. 여기서 만약 중력이 작용하지 않는다라고 상상해보시면 됩니다. 중력이 없다면 모니터는 애초에 떨어지거나 하지 않습니다. 둥둥 떠있을 수 있죠. 즉, 중력이 작용함으로써 모니터가 낙하하게 되는데, 이것이 작용 반작용입니다. 지구의 중력이 존재하여 모니터가 낙하하게 되기 때문이죠. 작용 반작용은 두개 이상의 물질이 상호작용할 때 필연적으로 나타나죠. 친구와 손바닥 치기를 할 때 서로 손바닥을 치게 되면 동시에 같은 힘이 전달됩니다. 힘이란 것은 언제나 두 물질 이상에서만 나타납니다.
Q. 남극과 북극에서 오로라 현상이 발생하는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.오로라는 우주에서 날아오는 우주선(하전입자)이 대기의 기체와 부딪혀 생겨나는 현상입니다. 하전입자는 전하를 띠는 입자들을 의미합니다. 보통 우주선이라고도 합니다. 우주에서 날아오는 입자인 우주선이 행성으로 들어오는데 이때 전하를 띠고 있으면 행성 자기장에 의해 나선 운동을 합니다. 우주선은 나선 운동을 하며 극지방으로 이동합니다. 그리고 자기장이 강한 고위도에서 나선 운동이 강하게 일어나죠. 나선운동을 하며 대기에 있는 기체와 부딪히며 빛을 발하며 오로라가 생기게 됩니다.빛이 나는 원리는 기체 분자에 존재하는 전자의 에너지 상태가 외부 우주선과의 충돌로 높은 에너지 상태가 됩니다. 그리고 다시 안정적인 상태로 돌아가려고 낮은 에너지 상태로 돌아가는데 이때 손실 되는 에너지가 빛으로 방출 되어 우리 눈에 들어오게 되는것이죠. 기체의 종류와 에너지의 차이에 따라 다른 파장의 빛을 방출하므로, 빛의 색이 달라져 오로라의 색이 다양하게 나타날 수 있는 것입니다.
Q. 슈퍼포지션 원리는 어떻게 적용되며, 이것은 어떻게 파동 현상에서 관찰되나요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.파동의 중첩(superposition)이란 두 개 이상의 파동이 만나는 것입니다. 각각의 진동수( 주기)를 잃는 것이 아닌 보존 되는 것이며 진폭이 커지거나 작아지는 것을 뜻합니다. 중첩된 파동은 각각의 주기를 유지한체 두 개 이상의 파동을 더하여 표현하죠.만약 같은 모양의 파동이 서로 반대방향에서 온다면 만나는 순간 보강(더해지고)되고, 상쇄(소멸)되는 중첩을 반복하며 서로 지나가게 됩니다. 물결을 생각하시면 이해가 쉽습니다. 잔잔한 물위에 손가락으로 건드리게되면 물결이 생깁니다. 이 때 동시에 다른 위치에서 손가락으로 건드리게 되면 물결이 두군데에서 생기며, 서로 중첩되며 지나가시는 것을 볼 수 있습니다.또한, 음악에서 화음을 넣거나 할 때에도 중첩의 원리가 작용됩니다.
Q. 태풍이 커다란 비바람을 일으키는 원리는?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.태풍은 태양 에너지를 많이 받는 적도부근의 바다에서 만들어집니다. 적도 부근에서 태양 에너지를 받아 물이 증발하여 상승하며 구름이 다수 만들어집니다. 여름이나 가을에 적도 부근에서는 이러한 구름이 거대한 저기압 시스템으로 발달하게 되는데 이를 태풍이라고합니다. 태풍은 바람의 흐름을 타 중위도, 고위도까지 올라옵니다. 올라올때 바다 위를 지나면서 오는데 바다로부터 증발한 수증기를 머금고 세력을 키우며 올라옵니다. 그래서 우리나라나 다른 나라를 강타하죠. 태풍은 육지내에서 더 이상 수증기를 공급 받지 못하기 때문에 세력이 약해지며 소멸하게 되버리죠. 이러한 태풍은 강한 저기압 시스템으로 인해 바람이 강하게 불며, 많은 수증기를 머금고 있어 비를 동반하게 됩니다.
Q. 병원에서 사용하는 엑스레이는 어떤 원리로 작동하는 것인가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.Xray는 진동수가 높으며, 에너지가 높은 빛입니다. Xray는 물렁한 피부나 지방층은 잘 통과하지만, 밀도가 높은 뼈는 잘 투과하지 못합니다. Xray빛과 뼈를 이루는 원자가 상호작용하기 때문이죠. 이 때문에 뼈가 있는 부분은 Xray가 투과하지 못해 스크린에 닿지 못하게 합니다. 그래서 뼈모양의 사진을 볼 수 있는 것이죠.