안녕하세요. 이원영 전문가입니다.
전기·전자
Q. 전깃줄에 앉은 새들은 왜 감전이 안되는 것일까요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.감전은 몸체의 두 부분 사이에 전위차가 생길 때! 전류가 흐르게 되어 몸체에 전기적 충격을 주는 현상입니다. 전류가 흐를려면 전위차가 존재해야 하는데요. 전위차가 0일때는 전류가 흐르지 않아요. 이것은 마치 파이프로 연결된 두 물통의 수압차가 같을때 물의 흐름이 생기지 않는 것과 같은 경우입니다. 고압선에 참새가 두 다리로 전선 위에 올라설때, 두 다리 사이의 전선부분과 새의 몸통이 서로 병렬 연결이 됩니다. 이로인해 두 다리 사이의 전선부분에는 저항이 0에 가깝게 되고, 따라서 전위차도 0이 되는 것이죠. 병렬회로에서 분기된 회로들은 전위차가 모두 같기 때문에, 참새 몸통을 통한 두발 사이의 전위차도 0이 되는 원리랍니다지면과 연결된 전신주는 전압이 아주 미미하거나 없기 때문에 고압선에 앉은 참새가 닿는 순간 참새의 몸과 전신주 사이에 고압선에 흐르는 만큼의 전위차가 생겨버리게 되는거죠.
지구과학·천문우주
Q. 별이 빛나는 원리가 궁금합니다. 별은 어떻게 빛을 내나요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다. 태양은 90%가 수소이고, 8%가 헬륨으로 되어 있습니다. 지구보다 약 33만배 더 무거운 태양은 내부의 온도가 1천5백만℃에 이릅니다. 비교적 온도가 낮은 표면의 온도도 6천℃인 화염 덩어리죠. 태양을 이루고 있는 기체들은 태양의 뜨거운 온도 때문에 고체도, 액체도, 기체도 아닌 물질의 네 번째 상태 ‘플라즈마’ 상태로 존재하고 있습니다. 즉, 플라즈마는 기체에서 더욱 에너지를 가했을 때 원자핵과 전자가 따로따로 떨어져 제멋대로 움직이는 상태죠. 플라즈마로 이루어진 뜨거운 불덩어리의 깊숙한 내부에서는 수소의 원자핵이 충돌해서 헬륨 원자핵으로 바뀌는 ‘핵융합 반응’이 일어나고 있습니다. 이 과정에서 약간의 질량이 줄어드는데, 줄어든 질량이 곧 빛과 열이라는 에너지가 된 것입니다. 태양 내부에서는 초당 4백만 톤의 수소가 사라지면서 핵융합 반응을 일으키는데 이때 나오는 에너지가 바로 지구에 살고 있는 모든 생명체를 살아 숨쉬게 하는 것이죠. 태양은 50억 년이라는 긴 세월 동안 빛과 열을 방출해주었고, 앞으로도 약 50억 년 이상 지속될 전망이라고 합니다.별은 태양과 같은 원리로 빛을 낸다고 볼수 있습니다.
전기·전자
Q. 다이슨 선풍기는 어떤 원리인가요
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.선풍기는 여러모로 비행기와 비슷한 원리로 작동한다. 비행기의 제트엔진이 추진력을 얻기 위해 다량의 공기를 팬으로 흡입하듯 날개 없는 선풍기도 스탠드 안에 숨어 있는 팬과 모터로 주변의 공기를 빨아들인다. 그래서 스탠드에는 공기가 통할 수 있도록 촘촘한 구멍이 뚫려 있다.스탠드 안의 날개는 이렇게 흡입한 공기를 위쪽 둥근 고리 내부로 밀어 올린다. 다이슨 제품의 경우 일반 선풍기가 날개를 통해 몸체 뒤쪽에서 빨아들이는 공기량의 3배에 달하는 초당 27ℓ가량을 빨아들이는 것으로 알려졌다. 단면이 속이 빈 비행기 날개 모양으로 생긴 고리 내부의 좁은 공간으로 밀려 들어간 공기는 시속 90㎞로 유속이 빨라진다. 수도 호스의 구멍을 좁게 만들수록 물이 빠른 속도로 나오는 것과 같은 이치다.날개 없는 선풍기의 핵심 기술은 ‘베르누이의 원리’를 응용한 고리에 있다. 제임스 다이슨이 날개 없는 선풍기의 가능성을 찾은 것도 이 원리와 관련이 있다. 베르누이의 원리를 간단히 설명하면 ‘공기나 물 같은 유체의 속력이 증가하면 압력이 감소하고, 속력이 감소하면 압력이 증가한다’는 것이다.베르누이의 원리를 적용한 대표적인 예가 비행기의 날개다. 날개의 단면을 보면 아래쪽은 평평하고 위쪽은 볼록한 곡선이다. 비행기가 이륙을 위해 이동하면 날개 앞 부분의 공기가 날개를 중심으로 위아래로 갈리며 날개 뒤로 움직인다. 이때 평평한 아래쪽을 이동하는 공기는 유속이 느려 압력이 높아지고 곡선으로 된 날개 위쪽은 유속이 빨라져 압력이 낮아진다. 공기는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하려는 성질이 있기 때문에 중력과 반대 방향인 양력(揚力ㆍ유체 속을 운동하는 물체에 운동 방향과 수직 방향으로 작용하는 힘)이 커지면서 비행기가 공중에 뜨게 된다.날개 없는 선풍기의 고리도 단면이 비행기의 날개와 비슷하다. 고리 바깥 면은 평평하고 고리 안쪽 면은 볼록하다. 바람이 나오는 출구인 고리 안쪽 면의 작은 틈은 공기가 곡선을 따라 빠르게 이동하게 해준다. 강 연구원은 “고리 안쪽 면의 틈에서 배출된 빠른 속도의 공기로 인해 고리 안쪽의 압력이 낮아지고 상대적으로 압력이 높은 주변의 공기가 고리 안쪽으로 빨려 들어가면서 고리 안쪽 틈에서 나오는 빠른 속도의 공기와 함께 바람을 만들어낸다”고 설명했다.다이슨 제품은 이 과정에서 고리를 통과하는 공기의 양이 기둥으로 빨려 들어간 공기보다 15배 정도 증가한다. 그래서 다이슨은 이 같은 기술에 공기를 증폭한다는 뜻의 ‘에어 멀티플라이어’라는 이름을 붙였다.바람을 만드는 방식이 다르기 때문에 날개 있는 선풍기와 날개 없는 선풍기의 바람은 성질이 다르다. 날개 있는 선풍기는 뒷부분의 공기를 날개로 잘라서 앞으로 밀어주는 반면 날개 없는 선풍기는 공기의 흐름을 끊지 않고 이동시켜 훨씬 자연스러운 바람을 만들어낸다. 날개 있는 선풍기 앞에서 소리를 내면 떨리는 것처럼 들리는 것도 공기의 흐름이 단절되기 때문이다.날개 없는 선풍기는 이처럼 과학을 응용한 단순한 구조여서 모터와 팬, 기둥, 좁은 틈이 있는 고리만 있으면 직접 만드는 것도 가능하다. 유튜브를 검색하면 날개 없는 선풍기를 직접 만드는 과정을 어렵지 않게 찾아볼 수 있다. 날개 없는 선풍기를 만들 때 가장 중요한 건 고성능 모터를 쓰는 것이다. 강 연구원은 “날개 없는 선풍기나 서큘레이터를 제작할 때는 일반 모터보다 성능이 좋은 고효율 BLDC(Brushless DC) 모터를 사용해 모터 소음을 최소화하고 에너지 효율을 높인다”고 설명했다.
지구과학·천문우주
Q. 천왕성의 특징을 자세히 알려주세요
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.천왕성은 태양 주위를 공전할 때 옆으로 누워 있는 유일한 행성입니다. 천왕성은 육안으로 볼 수 있는 한계에 있기 때문에 1781년 윌리엄 허셜이 망원경으로 천왕성을 발견하기 전까지는 알려지지 않았습니다. 고리는 1977년 별을 감싸고 있을 때 모습을 드러냈습니다.천왕성과 해왕성은 물, 암모니아(NH3), 메탄(CH4), 규산염과 금속으로 구성된 일부 '암석'이 주성분인 '얼음 거인'이라고도 불립니다. 지구 질량의 약 1~3배에 달하는 것으로 추정되는 수소/헬륨 대기를 가지고 있습니다.눈으로만 보면 천왕성은 칙칙한 행성입니다. 목성과 토성을 장식하는 역동적인 구름 패턴이 거의 없는 특징 없는 청록색 공처럼 보입니다. 하지만 천왕성은 태양계 행성 중 가장 흥미로운 역사를 가지고 있을지도 모릅니다: 천왕성은 탄생 직후 충돌로 인해 옆으로 기울어졌을 수 있습니다.대부분의 행성의 극은 태양계 평면에서 멀리 떨어져 있으며, 지구의 극과 마찬가지로 대략 북쪽과 남쪽을 가리킵니다. 하지만 천왕성의 극은 동쪽과 서쪽을 가리키며 태양 주위를 공전하는 궤도면에 가깝습니다. 그 결과, 북극은 북쪽 여름이 시작될 때 태양을 향하고 남쪽 여름이 시작될 때 태양으로부터 멀어집니다. 따라서 지구의 북반구와 남반구에는 42년 동안 햇빛이 내리쬐고 42년 동안 어둠이 내리쬐게 됩니다. 이러한 기울기는 계절에 따라 바람과 구름의 방향이 바뀌는 등 다른 행성과는 다른 기상 패턴을 만들어냅니다.그러나 천왕성의 구름을 감지하고 추적하는 것은 어렵습니다. 천왕성은 너무 멀어서 지상 망원경으로는 흐릿한 녹색 덩어리 정도로만 보입니다. 천왕성은 대기 상층의 연무로 인해 균일한 청록색을 띠며, 행성 주위를 이동하는 대부분의 구름 형성을 숨깁니다. 천문학자들이 지구 대기의 왜곡 효과를 극복할 수 있는 망원경을 사용하기 시작한 최근 몇 년이 되어서야 천왕성의 세부적인 특징을 볼 수 있게 되었습니다. 이 망원경에 부착된 적외선 및 자외선 기기는 안개를 투과하여 천문학자들이 지구의 대기 깊숙한 곳까지 볼 수 있게 해줍니다.그럼에도 불구하고 볼 것이 많지 않습니다. 천왕성은 태양으로부터 열을 거의 받지 않고 자체적으로도 많은 열을 생산하지 않기 때문에 다른 행성에서 볼 수 있는 극적인 구름 띠와 기상 시스템을 생성하는 에너지원이 없습니다.목성이나 토성과 마찬가지로 천왕성 대기의 얇은 상층 아래에는 수소와 헬륨으로 이루어진 외피가 있습니다. 하지만 천왕성에서는 수소와 헬륨 층이 다른 행성만큼 두껍지 않아 구름 꼭대기에서 5분의 1 거리까지만 뻗어 있습니다.물, 메탄, 암석 광물의 액체 또는 부분적으로 얼어붙은 혼합물이 수소와 헬륨 아래에 있을 수 있습니다. 하지만 지구의 바다와 공기가 만나는 지역과 달리 천왕성의 층 사이에는 뚜렷한 경계가 없을 것입니다. 대기압이 너무 커서 액체와 기체가 슬러시 전이 구역에서 합쳐집니다. 이 영역은 빽빽한 암석으로 이루어진 중심부를 둘러싸고 있습니다.천왕성을 둘러싸고 있는 좁은 고리는 숯보다 더 어두운 물질이기 때문에 천문학자들은 고리가 천왕성 뒤쪽을 지나가려던 별의 빛을 차단하는 1977년이 되어서야 고리를 발견했습니다. 이 고리는 태양계 행성 중 가장 얇은 입자 층으로 구성되어 있습니다. 그러나 일부 입자는 SUV만큼 크며, 이는 다른 행성의 고리에 있는 대부분의 입자보다 훨씬 큽니다. 이 큰 입자들은 작은 달이 혜성이나 소행성과의 충돌로 부서져 고리가 형성된 아주 최근에 형성되었음을 시사합니다.
화학공학
Q. 페인트 제거할 때 바르는 약물은 무엇인가요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.리무버는 오래된 도막을 벗기는 데 사용하는 박리 할때 사용합니다.【제법】다음 3종류가 있다.1) 수산화나트륨과 같은 알칼리에 백토, 톱밥 등을 섞어 풀 상태로 한 것.2) 아세톤, 벤젠, 에탄올, 아세트산에스테르 등의 섞은 용제에 파라핀(메탄 계열 탄화수소)을 녹인 것.3) 클로로포름, 디클로로에탄 등 사슬 모양 화합물의 염소화물에 파라핀, 셀룰로오스를 넣은 것. 파라핀, 셀룰로오스 화합물을 넣은 것은 용제의 휘발을 막기 위해서이다.【용도】페인트, 에나멜, 바니시, 래커의 낡은 도막을 벗겨내는 데 사용한다. 오래된 도막에 솔이나 주걱을 사용해서 도포, 방치해 두면 도막은 팽윤하고 혹은 부풀게 되므로 샌드페이퍼, 브러시 등으로 문지르면 도막이 바탕에서 떨어진다. 한 번으로 떨어지지 않을 때는 새로운 리무버를 거듭 칠하거나 도막에 작은 칼 등으로 상처를 내둔다. 떨어진 후에는 혼합 용제에 파라핀을 녹인 형의 것은 용제를 적신 헝겊으로 잘 닦아서 파라핀을 제거해두지 않으면 다음 도료의 접착이 나빠진다. 다른 두 가지 형인 경우는 충분히 물로 씻어서 리무버를 제거하면 된다.
물리
Q. 뉴턴의 만유인력에 대해 몇가지 궁금한게 있어서요.
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.1. 만유인력은 누구에게나 적용되고 어떤 물질이든지 적용이 됩니다. 2. 사과가 익어서 땅으로 떨어지는 것이 만유인력때문입니다. 사과뿐만아니라 다른 모든 것이 지구 중심으로 떨어지는것이 만유 인력 때문이죠
지구과학·천문우주
Q. 돌턴(John Dalton)은 어떤 인물인가요
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.근대적인 원자론의 첫 제창자다.[1] 배수 비례의 법칙을 제창하여 조제프 루이 게이뤼삭의 기체 반응의 법칙과 함께 근대 화학에서의 화학식 표기법 자체의 근거를 마련하기도 했다. 또한 근대 화학의 아버지로도 알려져 있기도 하다.대기를 연구하는 과정에서 대기가 몇 종류의 기체가 섞인 혼합물이라는 결론을 내렸다. 돌턴은 이 기체들이 라부아지에가 말한 원소로 보고, 이러한 원소들은 각각 일정한 성질과 질량을 가진 원자라고 하는 작은 입자로 이루어져 있다고 보았으며, 화합물은 서로 다른 종류의 원자가 결합한 입자로 이루어져 있다고 보았다.또한 원자는 파괴되거나 새로이 창조되지 않는다고 생각하였다. 라부아지에는 원소를 실험적으로 더 이상 분해할 수 없는 물질이라 정의했는데, 돌턴은 원소가 더 이상 분해될 수 없는 이유는 원소가 같은 종류의 원자들로 이루어져 있기 때문이라고 보았다.다만 원자설로는 게이뤼삭의 기체 반응의 법칙을 설명할 수 없어서, 돌턴은 죽을 때까지 기체 반응의 법칙을 인정하지 않았다고 한다. 이 싸움은 아메데오 아보가드로가 분자설을 제창함으로서 끝나게 된다. 다만 분자설은 돌턴을 지지하는 학자들 때문에 아보가드로의 생전에는 인정받지 못하였다.1824년 맨체스터 대학교의 전신인 맨체스터 기계공 교육원을 설립했다. 그 업적을 기리고자 현재 맨체스터 대학교에는 그의 이름을 딴 돌턴 핵 연구소가 있다.
토목공학
Q. 해저터널은 만드는 방법에 대해 알려주세요
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.New Austrian Tunnelling Method의 준말로 오스트리아에서 개발한 방식이라서 이러한 이름이 지어졌다. 1980년대부터 지금까지 대한민국에서 지하철 공사에 가장 많이 쓰이는 방법이기도 하다. 지하철뿐만 아니라 터널이라면 안 쓰이는 곳이 없을 정도.지반이나 암반에 구멍을 뚫어서 화약을 삽입, 폭파시키고 벽면을 콘크리트 등으로 발라 지반 자체의 힘을 최대한 사용하면서 굴착해나가는 방법이다. 대한민국의 수도권 전철 5호선이 지나는 마포대교 아래(여의나루역-마포역 구간)의 한강 하저터널 및 일본의 세이칸 터널이 이 방법으로 건설되었다.지반이 연약할 경우 공사에 위험이 따른다는 단점이 있다. 실제로 1970~80년대에 지었던 세이칸 터널은 공사 도중 갱이 3번이나 침수되어 사상자가 생기기도 했다. 지질조사용 갱(선진도갱), 본갱, 작업갱을 각각 3개씩 파 놓고 공사한 덕에 작업갱으로 물을 퍼내서 겨우겨우 본갱의 침수 사태를 복구했다고 한다. 일부 연약지반 구간은 선진도갱을 본갱 앞으로 우회시켜 지반에 응고제를 주입해 굳히고 뚫는 방식으로 건설했다.현재 수도권제2순환고속도로의 인천북항터널과 77번 국도의 보령 해저터널이 이 공법으로 시공되었다.가장 무식한 방식. 일명 '가물막이 공법'이라고도 부른다. 터널 양옆에 바다에 임시로 댐을 쌓아 바닷물을 막고 물을 퍼낸 다음 굴착해서 터널을 건설한 뒤 바닷물을 다시 채우는 방법이다. 근래의 엄청난 스케일의 해저터널에서는 불가능한 방법이다. 다른 건설기법이 생기기도 전에 아주 먼 옛날초단거리 해저터널 건설 시 사용되었다. 대한민국의 수도권 전철 5호선이 지나는 천호대교 아래(광나루역-천호역 구간)의 한강 및 서울 지하철 2호선 종합운동장-삼성 구간의 탄천 하저터널, 그리고 통영에 있는 동아시아 최초의 해저터널인 통영 해저터널 건설에 사용된 공법이다. 단 여긴 지협이었던 곳을 파서 터널을 지어놓고 물을 터뜨린 특이한 케이스이다.[1]1825년 영국에서 이점바드 킹덤 브루넬의 아버지 마크 브루넬이 조개에서 영감을 얻어 템즈 강 밑에 하저터널을 건설할 때 사용한 오래된 공법이다. 현대에는 자동화된 터널만한 회전식 그라인더형 굴착기로 땅을 긁어 나아가면서 세그먼트로 불리는 콘크리트 블럭을 조립해서 터널을 만들어 가는 방식으로 발전되었다. 연약한 지반에 굴을 뚫기에 가장 좋은 방법으로 실드 자체가 굴착 및 지지대 역할을 하기 때문이다. 하루에 6m 이상 나가므로 매우 빠르며, 공사 기간 단축이 가능한 반면, 장비가 고가인데다 크기도 엄청나서 한번 조립하는데만 8주가 소요되며, 공사 완료 후 분해를 하는데만 해도 4주 정도가 걸린다. 한국에서는 이 방식으로 만든 해저터널은 없고 분당선과 별내선, 대곡소사선에 건설되는 한강 하저터널과 부전-마산 복선전철에 건설될 낙동강 하저터널이 이 공법으로 건설중이다상대적으로 얕은 바다에 콘크리트로 미리 만들어둔 터널 크기의 함체를 만들어 바다에 가라앉혀 이어나가는 방식이다. 쉽게 말해서 바다 바닥에다가 터널 블럭 올려두고 주욱 이어 붙이는 것이다. 짧은 거리, 얕은 바다에 주로 사용하므로 이 방법을 사용한 해저터널이 많다. 한국에서는 유일하게 거가대로의 가덕 해저터널을 이 방법으로 건설했다.
전기·전자
Q. 조지프 존 톰슨 경(Sir Joseph John Thomson)은 어떤 인물인가요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.조지프 존 톰슨 경(영어: Sir Joseph John Thomson, OM, FRS, 1856년 12월 18일~1940년 8월 30일)은 영국의 물리학자이며, 전자와 동위원소를 발견하였고 질량 분석기를 발명하였다. 그는 기체에 의한 전기 전도에 관한 실험적 연구, 전자를 발견한 것으로 1906년 노벨 물리학상을 수상하였다.1913년 커낼선의 구성에 관한 실험 중에서 톰슨은 이온화된 네온의 흐름에서 빗나가는 것들을 확인하였다. 따라서 두개의 빗나간 흐름을 가지고 톰슨은 네온이 2가지 다른 원자 질량(네온-20, 네온-22)을 가지고 있다고 결론 내렸다. 이것은 동위원소에 대한 첫 번째 증거였다.(프리드리히 소디는 방사성 원소의 부식을 설명하기 위하여 동위원소의 존재를 이전에 이미 제안하였다.) 톰슨의 질량에 의한 네온 동위원소의 분리는 질량분석의 첫 번째 사례였으며, 톰슨의 지도학생인 F.W.애스턴과 A.W.애스턴에 의해서 일반적인 방법으로 개발되었다.
지구과학·천문우주
Q. 지구가 자전하는데 왜 기울어져있나요?
안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.23.5도 기울어져있습니다. 자전하게 된것은 태양계 탄생당시 소행성 충돌에 의한 힘으로 자전을 하게 되었다는 설이 있습니다. 소행성 충돌로 인하여 자전축도 결정되었다고 볼수 있습니다. 그러나 이것은 가설입니다. 증명된것은 아니죠.