안녕하세요 염정흠 전문가입니다.
지구과학·천문우주
Q. 고드름은 왜 거꾸로 만들어지는 건가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.고드름은 처마에서 흘러내리던 물이 얼면서 생겨납니다. 물이 찬 공기를 만나면 바로 어는 것이 아니고 얼기 전까지 물이 가지고 있던 열을 찬 공기나 닿아있는 차가운 물체에 빼앗기면서 어는 점까지 차가워지면서 얼게 됩니다. 처마에서 흘러내리던 물도 처마 아래 쪽으로 흐르는 동안 열을 빼앗기고, 얼음이 맺힙니다. 그 얼음을 타고 내려오던 물이 맺혀있던 얼음 끝지점과 가까워진 곳에서 어는 것이 반복되면서 고드름이 됩니다. 그렇게 생겨난 것이 보통 처마에 달려 있는 고드름의 형태입니다. 간혹 물방울이 처마에 맺히지 않고 땅에 떨어져서 어는 경우도 있는데 그럴 때는 여느 고드름과 반대로 위로 향한 역고드름이 생기기도 합니다. 이는 바닥에 떨어진 물이 얼고, 그 위에 떨어지는 물이 추가로 얼게 되는 것이 반복되어서 만들어지는 것입니다.
토목공학
Q. 도로를 보면 도로 중앙 부분이 가장자리 차선보다 높습니다. 이렇게 시공한 이유는 무엇인지요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.간단하게 말씀드리자면 도로에 배수를 위해서 입니다. 도로의 가장자리를 보면 우수로가 있는 곳이 많을 겁니다. 없는 곳도 많겠지만 아스팔트 부분과 콘크리트 부분에 단이 생기는 곳도 있을 겁니다. 아스팔트를 재포장 하면서 단이 생길 수도 있지만 우선은 배수를 위해서 가장자리를 낮게 시공합니다. 우천시 도로에 물이 많이 고여 있으면 사고 위험이 크기 때문에 물이 가장자리로 자연배수되어 우수관로로 빠지도록 시공됩니다. 그럼에도 불구하고 아스팔트가 자동차의 무게에 눌려서 압축되거나 손상되는 곳이 생겨 물이 고이는 경우가 많습니다. 그렇다보니 시공 목적이 잘 보이지 않을 수도 있습니다.
생물·생명
Q. 이타이이타이 병은 왜 발병한건가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.중금속의 독성은 알고 있을 거라 생각합니다. 이타이이타이병은 그 중에 원자번호 48번인 카드뮴 중독에 의한 것입니다.카드뮴에 노출되면 염증을 유발하여 감기와 비슷한 발열, 호흡기 장애, 근육통과 같은 증상을 유발합니다. 이런 증상을 카드뮴 블루라고 부릅니다. 지나치게 많은 카드뮴에 노출되거나 장기간 노출되면 호흡기나 신장에 심각한 장애가 발생할 수도 있습니다. 일반적으로 인체는 독성을 지닌 물질을 흡수하지 않고 바로 배출하는데, 카드뮴은 인체에 필수적인 아연과 화학적 성질이 비슷해 체내에 쉽게 흡수됩니다. 카드뮴이 인체에 흡수되면 원래 아연이 담당해야 할 효소를 돕는 작용을 방해하여 신장 장애가 발생합니다. 이는 칼슘 대상에 이상을 일으키고 결국 뼈 속의 칼슘을 빼앗게 되어 골절이 발생하기 쉬운 상태로 약화시킵니다. 효소를 제대로 작동하게 만드는 아연의 자리를 차지해 효소의 활동을 방해하기 때문입니다. 카드뮴은 1급 발암 물질로 분류되어 배출을 법률로 엄격하게 규제하고 있습니다.1910년 무렵 일본 진즈가와 유역에서 이타이이타이병이 발생했었는데, 이는 근처 금속 광업 공장에서 흘려보낸 폐수에 있던 카드뮴 때문이었다고 합니다.
기계공학
Q. 작은 딸래미가 수학을 정말 싫어하는데...
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다. 딸이 커서 어떤 분야에서 활동할지 모르겠지만 아직 정해진 것이 없기에 여러가지 배워둘 필요가 있을 것 같아요. 만약 특정 분야를 목표로 한다는 것이 확실해진다면 필요한 것 위주로 공부해야겠지만 대부분 어릴 때는 그렇지 않을 것입니다. 그러니 더더욱 모든 범위는 익혀둬야 할 것입니다.보통 일반인이 사용할 수 있을 수학 범위는 기본 사칙연산 외에 방정식, 함수, 확률 정도가 되지 않을까 생각합니다. 수식 뿐 아니라 소수, 분수, 미지수, 백분율, 비례 등 다양한 단어의 개념도 익혀야 한다는 점에서도 기본 수학은 배울 필요가 있습니다.목표가 정해진 경우라면 일찍부터 더 깊이 있는 수학을 해야 할 수도 있습니다. 저의 경우 건축공학을 전공하였고, 실무에서 쓰이는 수학 산식에는 미분, 적분 등의 일상 생활에서는 쓰이지 않는 부분도 있습니다. 이는 고등학교시절에 공부되어야 할 범위입니다. 저는 일찍 목표가 정해지지 않은 상태로 학창시절을 보냈는데 수학을 좋아하지 않아 열심히 공부하지 않았습니다. 다행이 대학에서 필요한 부분만 다시 공부했습니다. 하지만 다른 학생들 보다 뒤쳐지는 시간이 있었죠. 그런 일이 생기지 않기 위해서도 전체적으로 배워둬야 합니다. 전문적인 지식을 익혀야 시간에 이미 배웠어야 할 것을 뒤늦게 공부하느라 늦어지는 것이 후회되면서 스트레스가 될 수도 있습니다. 제가 그랬습니다.저도 학창시절에 공부하기 싫어 했는데 이렇게 답변을 드리는 것이 도움이 될지 의문입니다. 공부의 필요성은 부모님께서도 잘 아실 겁니다. 단지 설득이 안 될 뿐이겠죠. 설득 보다는 필요성을 느끼거나 좋아하게 될 계기를 찾는 것이 필요할 듯 합니다. 저도 필요에 의해 열심히 공부했습니다.안녕하세요.
화학
Q. 고급휘발유는 일반휘발유보다 성분이 더 좋은건가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.일반휘발유와 고급휘발유의 큰 차이가 옥탄가입니다. 휘발유에는 옥탄가를 높여주는 옥탄가 향상제가 첨가되는데 옥탄가가 높을수록 노킹현상을 억제할 수 있습니다. 노킹현상이란 엔진 실린더에 분사된 휘발유의 점화가 플러그에서 일어나는 스파크로 인해 이루어져야 하는데 다른 원인으로 인해 원래 폭발 예정된 지점이 아닌 곳에서 폭발을 일으키는 현상입니다. 그렇게 되면 실린더 헤드가 불규칙적으로 흔들리며 움직여 효율도 떨어지고, 실린더 내벽을 손상시킬 수 있습니다. 한 때 이슈가 된 GDI엔진 결함 문제의 원인으로 알려졌었습니다. 아무튼 옥탄가가 높으면 엔진에 부담을 줄여줄 수 있습니다.일반휘발유 경우 옥탄가가 91~93이며, 고급휘발유 경우 94이상입니다. 국내 정유사들의 고급휘발유는 옥탄가가 100이상인 것으로 알고 있습니다.고급휘발유를 사용해야 하는 차량은 압축비가 11을 넘어 최고 14까지 올라가는 고출력 자연 흡배기 엔진이나 과급기를 장착한 엔진을 탑재한 차량입니다. 일반 차량은 일반휘발유를 넣어도 문제 없지만, 높은 옥탄가를 요구하는 차량에 일반휘발유를 넣을 경우 차량 성능이나 연비에 지장을 주고, 심한 경우 성능에 무리를 줘서 고장이 발생할 수도 있습니다. 특히 시장 점유율이 높은 독일 자동차 경우 옥탄가 95이상을 권장하는 경우가 많은데, 각 차량마다 매뉴얼에 권장하는 옥탄가가 표기되어 있으니 확인해 보는 것이 좋습니다.
토목공학
Q. 고층 건물을 몇층까지 지을수 있을까요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.현재 세계 최고층 건축물로는 두바이에 있는 부르즈 칼리파(할리파)입니다. (건설사는 삼성물산입니다.) 이미 2009년 10월에 완공(2010년 1월 개장)했던 건축물로 현재까지 세계 최고 높은 건축물입니다. 층수로는 지상 163층 / 지하 2층이며, 높이는 인공구조물(첨탑)까지 포함해 828m입니다. 2024년 완공 예정인 사우디아라비아에 제다타워가 있는데 계획된 지상 층수 167층에 높이는 1000m가 넘을 것으로 알려져 있습니다. 현재 완공된 건축물 중에 두번째와 세번째로 높은 건축물의 층수가 100층 초반대인 것에 비해 큰 차이가 있는 60개층 정도가 더 높은 건축물이 존재하고, 지어지고 있는 상황인 것으로 보아 자본이 뒷받침 된다면 기술개발을 통해서 언젠가는 200층까지도 지을 수 있지 않을까 예상은 됩니다. 하지만 현재로서는 160~170층 정도가 가능한 것으로 보입니다.어떤 세계적인 재벌의 욕심으로 막대한 자본만 투자 된다면 200층 이상의 건축물이 불가능 하지는 않을 겁니다. 하지만 그것이 바벨탑과 같은 인간 욕망의 상징은 될 수 있어도 실용적인 건축물이 될 수 있을지는 의문입니다.
지구과학·천문우주
Q. 달은왜 공전은 하는데 자전은 하지 않는건가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.자전도 합니다. 대신 공전주기와 자전주기가 같습니다.행성 주위를 도는 대부분의 위성들이 공전과 자전 주기가 같은 동주기 자전을 하는데 큰 행성의 조석력에 묶여 항상 한 쪽 면이 공전 중인 행성의 방향으로 향하게 자전하는 것으로 보고 있습니다. 그 내용을 이해 하시려면 조석고정이라는 것을 검색해 보시면 잘 설명된 것을 찾으실 수 있을 겁니다.
토목공학
Q. 우리나라의 주택(아파트)는 지진에 얼마나 강하게 설계되어 있나요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.우리나라 법규상 반영되고 있는 기준에서 내진설계 경우 재현주기라는 개념을 사용합니다. 2400년 재현주기라고 해서 2400년에 한 번 오는 지진을 의미 하는데, 그 크기가 매우 크고, 기준에서는 최대고려지진이라 부르고 있습니다. 지진하중을 산정하는데는 과거 지진 발생 데이터를 근거로 확률통계이론이 사용되어 영향을 주는 요소는 지역, 지반조건, 건축물의 중요도 등이 있습니다.법규상 의무적으로 구조안전의 확인(내진설계가 포함되어 있습니다)을 해야 하는 건축물의 규모는 현재 기준으로 2층(목구조는 3층) 이상 건축물, 연면적 200제곱미터 이상 건축물, 높이 13미터 이상 건축물, 처마 높이 9미터 이상 건축물, 국가적 문화유산이거나 연면적 합계 5000제곱미터 이상 건축물, 특수한 건축 기술 등이 필요한 건축물, 단독주택 및 공동주택 입니다. 공동주택 안에 아파트도 있으니 모든 아파트는 내진설계가 반영되었습니다. (내진설계가 1988년 도입되어 그 이후 큰 규모의 건축물부터 반영 되었으니 그 시점 이후 아파트라면 의무였습니다.)구조안전의 확인 내용 안에는 고정하중, 적재하중, 풍하중, 적설하중, 지진하중이 반영되어야 하고, 세부적으로 더 많은 카테고리로 나누어 계산되기 때문에 지진 뿐 아니라 여러가지 건축물에 영향을 줄 수 있는 것들이 계산됩니다. 그럼에도 아파트가 무너진다면 부실시공이나 설계 오류, 과거 데이터 보다 많이 강한 지진이 발생하는 경우, 예상치 못한 상황(예를 들어 테러로 인한 뉴욕 무역센터가 무너졌던 사건 같은 상황) 등이 원인일 것 같습니다. 그리고, 구조 설계가 제대로 되고, 시공이 잘 이루어졌다고 해서 전혀 무너지지 않는 것은 아닙니다. 기본적으로 무너지지 않고 버텨내는 것이지먼 너무 강한 외력에 의해서 무너지더라도 사람들이 충분히 대피할 수 있는 시간을 벌면서 버티면서 최대한 천천히 무너지도록 설계됩니다. 그러니 지진 발생시 대피하기에 충분할 것입니다.
토목공학
Q. 건물을 지을때 지진에 대한 설계는 어떤 방식으로 하는지 궁금합니다.
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.철을 많이 사용한다고 무조건 강한 것은 아닙니다. 요즘은 컴퓨터 프로그램을 통해서 해당 지역의 지진계 등의 내용을 반영할 수 있습니다. 되도록 계산 전에 공사할 땅에 대한 지질조사 및 지내력 테스트를 해서 같이 반영해주는게 좋은데 사전에 검사가 이루어지지 않을 경우 지내력을 적당히 낮춰서 적용합니다. 추후 지질조사가 이루어지면 반영한 값과 비교해서 낮으면 다시 설계를 합니다. 만약 지내력이 계산값 보다 높다면 더욱 안전한 것이라 다시 설계를 하지 않는 경우가 대부분입니다. 구조계산에서는 모델링된 구조물에 지진파형에 따른 영향을 각각 반영해서 어느 부위가 힘을 많이 받는지 보고 해당 부위를 강하게 해주고 힘을 적게 받는 부위는 적당한 강도가 나오도록 효율적으로 설계를 합니다. 지진의 강도 또한 실제 있었던 지진의 강도 보다 강하게 적용하여 적용하기 때문에 제대로 계산이 이루어졌다면 건물이 쉽게 무너지는 일은 없습니다. 건축물은 지진 외에도 여러가지 영향을 받습니다. 건축물의 고정하중, 적재하중, 풍하중, 적설하중(눈은 바로 흘러내리지 않고 쌓이기 때문)이 더 있습니다. 세부적으로 여러가지가 더 있지만 대표적으로 지진하중 외에도 위에 네가지로 분류해서 총 다섯가지 하중을 반영합니다. 프로그램 상 모델링된 구조체에 모든 하중을 반영하여 어떻게 영향을 받고, 어떻게 무너지는지, 어느 정도 강도에서 무너지는지 등을 고려해서 설계되는 것입니다. 그것이 100% 완벽하지는 않겠지만 현재 인간이 계산해서 대응할 수 있을 정도의 설계입니다. 경우에 따라서 법적 기준에 의해 과한 설계가 될 정도입니다. 안전을 위한 것이기에 과하더라도 항상 기준을 강화하고 있고, 그 기준에 맞춰서 설계되고 있습니다. 일부 잘못된 설계가 될 수도 있겠지만 대부분 적합하게 설계가 이루어지고 있습니다.
토목공학
Q. 커다란 다리가 부러지는 사고는 부실공사 때문?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.성수대교의 경우 설계부터 시공, 유지보수까지 부실했던 사례입니다. 큰 대교는 물론이고 건축물은 설계 단계에서 구조계산을 통해서 실제 있을 수 있는 구조 영향 범위 보다 더 여유롭게 하중을 적용해서 설계됩니다. 구조체의 강도까지 결정되는데 그 이상의 재료를 사용하고, 그것을 사용해 효율적인 구조 형태로 설계가 이루어진 다음 시공을 하게 됩니다. 시공 과정에서도 성적서가 갖춰진 자재를 사용해서 적합한 시공이 이루어져야 합니다. 시공이 완료된 이후에도 정기적으로 검사를 하면서 문제가 있는 부분에 유지보수까지 되어야 하는 것입니다. 그런데 성수대교 경우 설계부터가 미흡했었는데 만약 시공이 설계대로 잘 이루어졌어도 문제는 발생했을 겁니다. 그런데 시공마저 부실했습니다. 실제 사고 현장 조사 중에 트러스 구조체 만큼 중요한 볼트가 손으로도 빠질 정도 였다고 합니다. 철골이나 강구조의 구조 설계시 볼트의 규격 및 강도, 볼트 구멍의 간격, 볼팅 방식 등 상세한 설계가 이루어지는데 성수대교는 볼트 구멍 조차 제 멋대로 였습니다. 추가로 유지보수 마저 부실했기 때문에 더더욱 피할 수 없는 사고였습니다. 당시 설계 및 시공의 능력 부족함에도 불구하고 붕괴 위험이 큰 구조형태를 선정해 설계와 시공을 하고 이마저도 전부 미흡했으니 부실시공이 맞습니다. 지금은 시공기술도 좋아지고 계산 프로그램 및 장비가 발전해서 효율적이면서 안전한 방식을 찾아 적용할 수 있지만 당시에는 그런게 없었습니다. 그렇다면 그냥 많은 비용을 들이고 시공이 복합해도 안전하게 시공하는게 맞습니다. 여담으로 더 남기자면 수년 전에 우연찮게 만났던 사람 중에 성수대교 설계 및 시공 당시 구조적인 문제를 제기했던 교수의 제자였다는 분이 있었습니다. 그 의견은 묵살되었고 성수대교 사고가 발생했는데 그 분이 어쩌면 그 사고를 방지할 수도 있지 않았을까 얘기했습니다. 사실관계는 확인되지 않았지만 건축공학을 전공한 사람으로서 전체 내용이 언론에도 나오지 않았던 것들인데 일리있는 내용들이었습니다.