안녕하세요 문민기 전문가입니다.
물리
Q. 도르레의 동작 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 문민기 과학전문가입니다.우리가 일반적으로 생각하는 도르래는 복합도르래입니다. 고정 도르레 같은 경우에는 물체의 무게 100N을 들어올린다고 한다면 힘의 방향만 바꾸어 줄 뿐 물체를 들어 올리는 힘은 변함없이 100N이 필요합니다. 물론 우리는 팔을 올리는 것보다는 내리는게 더 편하기에 물체를 들어 올릴 때 줄을 답아당기는 것보다는 내리는게 편하므로 도움은 됩니다. 이 고정도르래가 사용되는 곳이 보통 게양대나 블라인드 등이구요.자 그러면 작성자분께서 말씀하시는 복합도르래의 원리를 보자면 도르래가 여러가지가 있고 그 사이를 줄들이 지탱하는데 간단하게 보면 물체의 무게만 고려했을 때 두 줄의 합력이 물체의 무게를 지탱하는 힘과 동일하기에 각 각의 줄에 걸리는 힘은 물체 무게의 1/2이 됩니다. 즉 움직도르래 한 개당 물체 무게의 1/2의 힘으로 물체를 들어 올릴 수 있는 거지요. 하지만 여기서 중요한건 물체를 1m들어 올릴 때 고정도르래는 1m만큼만 당기면 되지만 움직도르래는 그 높이의 2배인 2m를 당겨야 합니다. 왜냐하면 물건을 1m 올릴 때 이 물건을 지탱하고 있는 두 줄이 동시에 움직이게 되므로 1+1인 2m가 움직여야 하는거죠.
지구과학·천문우주
Q. 연은 어떻게 하늘위로 잘 날수있는걸까요?
안녕하세요. 문민기 과학전문가입니다.연날리기는 베르누이의법칙이 적용됩니다.연의 구조를 보면 윗면과 아랫면이 있는데 여기에 바람이 지나갈 때 윗면에 흐르는 바람의 속도가 빨라지면 압력이 감소하게 되는데 이 때 아랫면에 작용하는 압력보다 작기 때문에 연이 점점 하늘 위로 상승하게 됩니다. 그래서 연날리기를 할 때는 연의 윗면을 아랫면보다 앞으로 기울여서 날리고 양력과 항력을 적절히 이용하는 게 중요합니다.여기서 양력은 연이 위로 떠오르는 힘이고 항력은 바람이 부는 방향에 따라 뒤로 진행하려고 하는 힘인데 우리가 실을 감으면 양력에 의해서 연은 위로 뜨고 실을 풀면 항력이 생겨서 진행하게 되니 거기에 맞춰서 조절하는게 중요합니다.
화학
Q. 현재 수치로 표현할 수 있는 온도의 범위는 어떻게 되나요?
안녕하세요. 문민기 과학전문가입니다.실제로 태양의 온도는 우리가 다가갈 수 없을 정도로 표면 온도가 높기 때문에 가까이서 잴 수도 없을 뿐더러 그처럼 높은 온도를 잴 수 있는 온도계도 없습니다. 태양의 온도는 온도계로 측정한 것은 아니고 태양으로부터 나오는 빛의 스펙트럼을 분석하여 추정한 것입니다. 우리기 흔히 과학시간에 배우는 스펙트럼은 7가지 색상으로 나뉘는데 무지개빛깔이라고하는 빨주노초파남보의 7가지 색이지요.그 중에서도 노란색이 색의 강도가 가장 강한데 스펙트럼에 의한 온도로 보면 이 노랑이 약 5300~6000도의 온도로 나옵니다. 태양의 표면이 노란색을 나타내니 태양표면온도는 5300~6000도라고 할 수 있죠. 정확한 산출은 5800으로 나오고요.그러면 태양의 내부는 어떻게 측정했는가? 라고 하면 작성자분께서 말하신 1500만도가 나오는데 이는 우리가 태양의 내부색상을 확인을 할 수는 없으니 과학자들의 계산상 수치라고 할 수 있습니다. 태양에서 나오는 에너지와 질량 성분등등을 계산하여 적용한 수치이니 정확한 온도는 아니지만 예상치는 그정도라고 보면됩니다. 그리고 보통 고온의 온도를 쓸 때는 열전대thermocouple를 사용하는데 700~3000도까지 측정이 가능합니다.
화학
Q. 원자의 기본 구성 요소는 무엇이며 서로 어떻게 상호 작용합니까?
안녕하세요. 문민기 과학전문가입니다.이 원자라는게 원소를 이루는 물질의 기본단위인데 원자의 기본 구성요소는 양성자와 중성자 그리고 전자로 이루어져있습니다. 양성자와 중성자가 원자의 핵을 이루고 그 주위를 전자가 회전하는 형태라고 보면 됩니다.- 양성자는 중성자와 함께 원자핵을 구성하는데 양성자의 수에 의해 원자의 원자번호가 결정이됩니다. 원자의 특성또한 양성자가 결정한다고 보면됩니다.- 중성자는 원자핵에서 양성자와 함께 발견이 되는데 원자의 중성자수가 동위원소를 결정합니다. 중성자는 전기적으로 중성을 가집니다.- 전자는 원자핵 주변에 존재하며 일정한 궤도를 그리면서 회전하는데 중성자나 양성자에 비하면 질량이 극도록 작습니다.분자의 형성은 원자들의 결합으로 이루어 지는데 자연계에 존재하는 원자는 백여종이지만 이 원자들의 결합은 헤아릴 수 없을 만큼 많습니다. 분자가 두 개이상의 원자가 결합해서 이루어져 있는데 일반적으로 원자가 분자를 형성하는 이유는 분자가 개별 원자로 있을 때보다는 더 안정적이기 때문입니다. 원자의 상태로 존재할 때는 분자로 존재할 때보다 전체 에너지가 더 적어서 분자가 형성되면 에너지가 방출되게 됩니다. 이 때문에 분자를 다시 원자로 분해할 때는 외부에서 에너지를 제공해 주어야 하는데 따라서 원자는 분자를 형성함으로써 더 안정적인 구조가 되는겁니다.실생활에서 흔히 보는 분자들은 산소나 이산화탄소 물등 대부분이 분자라고 보면 됩니다. 예컨데 문은 수소원자 두 개와 산소원자 하나로 구성이 되어있습니다. 이 분자 구조식을 보면 H2O로 구성되어 있는데 산소 하나에 수소 2개가 꺾인 구조로 붙어 있습니다. 산소는 전기 음성도가 높아서 전자에 대한 욕심이 많기에 수소와 결합한 상태에서도 전자를 반반 공유하지 않고 자기 쪽으로 더 당기는거죠. 이로 인해서 전자는 수소보다 산소 주변을 더 맴돌고 산소쪽은 음전하를 수소는 양전하를 띄면서 균형을 맞추는 겁니다. 이를 수소결합이라고 합니다.
화학
Q. 배터리 성분중 리튬은 어떻게 재활용이 가능한가요??
안녕하세요. 문민기 과학전문가입니다.리튬을 재활용하는 방법은 버려진 배터리를 완전히 방전시킨 다음 해체를 합니다. 케이스를 뜯어내고 플라스틱이나 알루미늄 구리등을 분리를 합니다. 그 뒤에 남은 모든 물질을 잘게 갈아버리는데 이 갈린 가루를 블랙 매스라고 부릅니다.검은 가루의 형태인데 이 블랙 매스에는 흑연으로 만들어진 음극, 코발트나 니켈로된 양극, 그리고 전기를 수송하는 리튬이 모두 섞여있습니다. 이 자체로는 사용이 불과하지만 여기에서 금속이나 흑연을 따로 분리 정제하여 재활용을 하는 겁니다.재활용을 하는 방식은 건식 제련과 습식제련이 있는데 간단하게 설명하자면 건식 제련은 블랙 매스를 뜨겁게 가열하여 녹인 다음 금속을 분리하는 방식인데 이 건식 제련은 가열하는 만큼 에너지의 소모가 큽니다. 또한 건식 후 리튬을 분리할 수 없기 때문에 남은 찌꺼기에서 리튬을 분리하는 공정을 한 번 더 거치는 번거로움이 있죠.두번째 습식 제련방식은 황산등의 용매를 이용해 구성 물질을 녹여서 분리하는 방법입니다. 흑연과 리튬도 이 방법을 분리할 수 있는데 과정은 복잡하지만 환경유해물 배출량이 적고 더 많은 물질을 회수 할 수 있기 때문에 건식보다는 더 각광 받고 있는 기술입니다.재밌는건 재활용 배터리를 사용하면 수명이 떨어질 것 같은데 오히려 성능은 비슷한데 수명은 50%가 더 상승하는 결과가 나왔다네요. 이는 재활용한 양극 재료에 작은 구멍이 뚫린 다공성 구조가 더 많이 관찰되어 이 구멍을 통해 리튬이온의 이동과 전류의 흐름이 더 효율적으로 변해서 그런 결과가 나온다고 합니다.앞으로 배터리 재활용 산업같은 경우에는 리튬이온전지를 만들 때 필요한 희토류 금속의 채굴이 어렵고 매장량도 제한이 되어 가격은 점점 상승할게 뻔하니 분명 미래에 더욱 크게 번창하는 사업이 되지 않을까하네요. 물론 재활용으로 인한 환경 오염도 줄이구요. 희토류의 채굴시 환경파괴가 워낙 극심해서 재활용시 이러한 환경파괴도 줄일 수 있고요.
지구과학·천문우주
Q. 오로라가 특정지역에만 생기는 이유는 뭔가요?
안녕하세요. 문민기 과학전문가입니다.오로라가 특정지역에서 관측이 가능한 이유는 자기장 때문입니다.우리 지구뿐만 아니라 태양계 행성의 대부분에서 극지방 가까이에서 발생하는데 태양에서 날아오는 대전입자 쉽게말해 태양풍이 지구 가까이에 오면 대부분 지구 자기장 밖으로 흩어지지만, 그 중에 일부가 밴 앨런대에 잡혀서 북극 혹은 남극의 극지방에 모이게 됩니다. 이것이 상층 대기와 충돌하면서 방전을 일으키는데 이때 발생하는 것이 오로라입니다. 물론 열권에서 발생을 하기에 기상상태가 좋지 않으면 관측이 안되구요. 우리 나라의 경우에는 극지방이 아니기고 중위도 이기에 오로라가 관측될 일이 없다고 보지만, 과거에 전세계적으로 오로라가 관측이 되었다는 기록은 남아있습니다. 하지만 조선왕조실록이나 기타 역사서에는 관측되었다는 보고는 없는데 1770년대 전세계에서 관측이 되었다는 날짜에 우리나라에 매일같이 비가 내렸다는 기록을 보면 날씨가 좋지 않아 관측이 안되었지 실제로 맑은 날이었다면 볼 수 있지 않았을까하네요.
생물·생명
Q. 도마뱀은 어떻게 표면에 달라붙나요?
안녕하세요. 문민기 과학전문가입니다.도마뱀이 벽을 타는 원리는 반데르발스힘입니다. 반데르발스힘에 대해 간단히 설명하자면 분자간 상호작용의 일종으로 전기적으로 중성인 분자들이 가까운 거리에 있을 때 서로 잡아당기는 힘이 있는데 이 힘으로 달라붙을 수 있게 되는 거지요. 물론 단순히 털이라고 했지만 우리눈에는 보이지도 않는 수십억개의 털이 있습니다. 이 털들 하나하나에 작용하는 힘들이 모두 모이면 도마뱀의 몸무게를 지탱할 정도로 강력한 접착력을 보일 수 있는 거지요.좀 더 자세히 설명하면 이 발바닥을 확대해 보면 매우매우얇은 강모가 셀 수 없이 많이 있는데 이 강모는 다시 수백가닥의 섬모로 분리됩니다. 하나의 섬모가 200나노미터이하로 매우 얇은 두깨를 가지고 있는데 이 섬모들이 수억개가 존재하는 거지요.하나하나의 섬모 힘은 매우 작지만 이 작은 힘이 수억개의 섬모에서 발생하기에 매우 강한 접착력이 생기게 됩니다. 섬모 하나마다 작용하는 반데르발스의 힘이 수억 개의 섬모에 의해 발생하면 도마뱀 자기보다도 수배 수십배 무거운 무게도 버틸 수 있는 접착력이 발생하게 되는거구요. 이 힘을 이용해서 표면에 달라붙으며 자유롭게 벽을 이동할 수 있게 되는겁니다.
기계공학
Q. 플라즈마는 정확히 무엇인가요? 또 어떻게 만들어 지는지 궁금합니다.
안녕하세요. 문민기 과학전문가입니다.플라즈마의 간단한 정의는 기체가 초고온상태로 가열이 되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태를 말합니다.작성자분께서 말한것처럼 많은 산업부분에 이용되는데 반도체부터 항공우주까지 초정밀에서 고도의 기술이 요구되는 부분에 폭넓게 사용하고 있습니다. 대략적으로 보자면 대형 플라즈마 공동 연구장치인 MP2시설로 핵융합, 우주, 천체 과학등에 이용하고 중성입자빔을 이용한 반도체 제조 공정에서 사용이 가능하며 탄소계 물질 제조 바이오 분야나 태양전지 혹은 디스플레이 부분은 OLED제조 장비에도 사용하고 있으니 산업 전반에 없는 곳이 없을 정도로 광범위한 분야에 접목하고 있습니다.
화학
Q. 요즘 미세먼지가 많은데 왜이렇게 많은가요?
안녕하세요. 문민기 과학전문가입니다.미세먼지의 원인이 국내에서 배출하는 오염물질이라고 보는 시각도 있지만 우리나라 최대 공업지역인 포항이나 울산 거제 창원등 남동해안의 주요도시는 미세먼지가 오히려 낮습니다. 그러니 이부분에 대한 근거로는 미흡하구요. 물론 석유나 석탄같은 화석연료가 타거나 자동차의 매연으로 인한 대기오염물질이 미세먼지의 주 원인이라고도 하지만 무엇보다도 중국의 광대한 오염이 결국은 미세먼지의 대부분을 차지하기는 합니다. 중국은 물론 인정하지않고 적반하장으로 나오기는 하지만요..ㅎㅎ 특히 겨울철에 시베리아 고기압의 영향으로 미세먼지가 밀려나는 경우가 아니면 미세먼지 농도가 좋지 않은 경우가 많은데 중국은 여전히 석탄을 이용한 난방이 대다수고 화력발전소가 많기에 이러한 미세와 초미세먼지의 유입이 더욱커지는것이구요.
화학
Q. 고체, 액체, 기체 모두 속하는 상태가 있을까요?
안녕하세요. 문민기 과학전문가입니다.물질의 상이 고체와 액체 기체로 존재하는 대표적인 물질이 물입니다.작성자분께서 2가지 상태로 존재하는 물체를 말하는건 아마도 드라이아이스인 듯 싶은데 드라이 아이스는 이산화탄소를 얼린것으로 대기압 조건에서는 온도에 따라서 고체와 기체 상태의 2가지 상태로 존재를 합니다. 저온의 드라이아이스를 밖으로 꺼내는 경우에 저온에서는 인력에 의해서 강하게 서로 고정이 되어 있으나 온도가 상승하면 기체로 바뀌게 되지요. 물론 삼중점을 지나 융해곡선상의 액체 상태도 존재는 가능하지만 일반적으로 우리가 사는 대기압 상태에서는 고체의 드라이아이스와 기체 상태의 2가지로 보면될것같네요. 이제 3가지 상태를 모두 가지는 물을 말해보자면 얼음과 액체의 물상태 그리고 수증기 상태야 모두 알테지만 물의 상평형 그래프를 보면 삼중점을 기준으로 고체인 얼음 액체인 물 기체인 수증기의 3가지 상태로 나뉘게됩니다. 물론 압력에 따른 온도의 변화에 의한 상이 다르긴하지만 일반적으로 0도이하일 때가 얼음이고 100도이상일때 수증기가 되구요.답변이 도움이 되셨으면 좋아요와 추천부탁드려요^^