안녕하세요 문민기 전문가입니다.
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.
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.
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.
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.
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.