안녕하세요 염정흠 전문가입니다.
지구과학·천문우주
Q. 초가집도 과학적인 원리가 있을까요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.우리나라 전통건축물의 구조체는 하중을 고르게 분산시키기 위한 형태를 갖추고 있습니다. 단순히 기둥과 보만으로 구성하려고 한다면 현대 건축물의 경우 강도가 높은 콘크리트나 철근을 이용하여 부재 크기를 줄일 수 있고, 부재 크기를 줄일 필요성이 적다면 큰 부재를 만들어내기 쉬운 편입니다. 전통건축물의 경우 나무를 사용하기 때문에 인위적으로 강도를 높일 수 없고, 크기 또한 인위적으로 키울 수 없습니다. 그렇기 때문에 기둥과 보 외에도 다양한 부재들을 함께 사용해서 매우 효율적으로 하중을 분산시켜줬던 것입니다. 그리고 기둥 하부에 주춧돌을 둠으로써 하중(골조를 구성하는 부재의 한 점에 힘이 가해지면 부재를 회전시키려는 힘이 발생합니다. 혹은 어떤 부재가 힘에 의해 휘어지려 할 때 연결되어 있던 다른 부재에 회전시키려는 힘이 발생되기도 합니다)에 의해서 기둥이 움직이지 않고 지면으로 하중을 전달할 수 있게 했습니다. 한옥의 구조체는 힘을 매우 효율적으로 분산시키면서 지면까지 보내기 적합하게 구성되어 있습니다. 초가집, 너와집, 기와집 등은 환경과 재력에 따라서 사용할 수 있는 마감재이며 마감재가 가벼울수록 구조체의 구성을 간소화할 수 있습니다. 초가집이나 너와집 같은 경우 기와에 비해서 많이 가벼운 재료였기에 구조체에 대한 공정도 쉬워지고, 큰 돈이 들지 않아 서민들이 지어서 살기에 좋았던 것입니다.
화학
Q. 목소리만으로 유리잔을 깰 수 있나요 ??
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.모든 물체들은 고유의 진동수(진동주기)가 있습니다. 직접 치거나 외부에서 같은 진동수의 소리를 흘려 보내면 해당 물체가 반응하여 진동하게 됩니다. 와인잔도 그 진동수가 있습니다. 음감이 좋고, 목소리로 그 진동수와 비슷한 소리를 낼 수 있는 능력이 된다면 목소리로 와인반을 깨는 것이 가능합니다. 어떻게 소리로 와인잔을 깰 수 있는지에 대해서 그네를 예로 들어 보겠습니다. 그네를 뒤에서 밀 때 뒤로 올라갔다가 내려오는 타이밍을 잘 맞춰서 밀었을 때 힘이 덜 들면서 그네가 높이 올라갈 수 있게 밀 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 물체를 진동하게 하는 것도 비슷합니다. 고유의 진동수에 따라 진동하는 주기가 있는데 그 주기에 맞춰서 비슷한 진동수의 소리를 지속 적으로 흘려보내면 진동은 점점 커지게 됩니다. 그러다가 물체의 강도를 넘어서게 되면 그 물체가 깨질 수 있는 것입니다.와인잔의 경우 유리가 얇아 강도가 약하기 때문에 목소리로도 깨는 것이 가능합니다. 오래 전 스펀지라는 프로그램에서 가수 김종서님께서 나오셔서 실험에 도움을 줬는데 그때 와인잔을 손톱으로 팅겨 소리를 들어 본 후 그 음을 찾아 목소리로 내준 결과 와인잔에 꽂아둔 빨대가 흔들려서 튕겨져 나가고, 잔이 깨지기까지 했습니다. 그렇게 해당 음을 낼 수 있는 사람이라면 목소로로 와인잔을 깰 수 있습니다.
화학
Q. 뜨거운 공기는 위로가고 차가운 공기가 내려가는 이유가 궁금합니다.
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.공기의 밀도 차이로 인한 현상입니다. 공기의 온도가 높아질수록 밀도가 낮아지고, 온도가 낮아질수록 밀도가 높아집니다. 그 사이에 상온의 공기층이 들어가게 되면 밀도에 의해 온도마다 공기층이 생겨날 것입니다.유기체의 온도가 높아질수록 분자운동이 활발해지면서 밀도에 차이가 발생하면서 공간에 제약이 없다면 밀도가 낮아지면서 압력 또한 낮아질 수 있습니다. 그런 상태에서 같은 부피의 공기 질량도 차이가 발생하는데, 따뜻한 공기가 일정 공간 안에 분자수가 차가운 공기의 분자수 보다 적기 때문에 질량이 낮아집니다. 정리하자면 공기가 따뜻해질수록 분자운동이 활발해져 그 사이 간격이 늘어나서 밀도가 낮아집니다. 공간 제약이 없는 곳에서 밀도가 낮아지면 기압도 낮아지고 단위 부피 당 분자수가 적어서 질량도 낮아집니다. 질량이 낮을수록 위로 뜨고, 질량이 높을수록 아래로 가라앉습니다. 기압이 낮을수록 위로 뜨고, 기압이 낮을수록 아래로 가라앉습니다. 공기 밀도 차이가 이 두 조건을 만들게 되는 것입니다.
화학
Q. 왜 털을 자른곳은 굵은털이 나는건가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.우리 피부에 있어 모근의 줄기세포에서 자라나는 털은 일정한 크기를 가지고 있으며 몸에서 멀어질수록 굵기가 가늘어지는 특징이 있습니다.그러므로 털을 자르고 나면 다시 자랄 때 굵게 자란다는 것은 맞지 않습니다. 다시 자랄 때 짧으면 잘 휘어지지 않고 길어질수록 잘 휘어지기 때문에 짧을 때가 굵어서 그렇다 생각할 수 있습니다.
토목공학
Q. 최근 유리섬유로 만든 철근이 쓰이고 있다고 하던데..
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.철근콘크리트 구조에서 철근의 역할은 인장력을 분담하는 것입니다. 그래서 콘크리트의 인장강도가 약하다는 단점을 보완해주는 것입니다. 구조체는 눌리는 힘만 작용되는 것이 아니라 휘어지는 부분에는 늘려지는 인장력도 작용되는데, 콘크리트는 압축에 강하지만 인장에 약하고 철근은 압축에 약하지만 인장에 강합니다. 그리고 철근과 콘크리트는 열에 대한 팽창률이 거의 같기 때문에 서로의 단점을 보완하면서 안정적인 형태를 유지할 수 있습니다. 철근은 공기나 수분에 의해 산화되어 부식이 되는데, 이를 알칼리성인 콘크리트가 감싸서 방지해주고 공기와의 접촉을 차단해 장기간 강도를 유지해줍니다. 하지만 그것은 완벽에 가깝게 시공되어지고, 콘크리트에 균열이 생기지 않았을 때 이야기입니다. 실제로는 건축물이 세월이 지날수록 여러가지 요인에 의해 콘크리트에 균열이 생기고, 그 틈으로 들어간 공기나 수분이 철근을 부식시켜 산화철(녹)을 발생하면서 팽창하고 강도가 약해집니다. 그러면 구조적으로 빈틈이 생겨나고 무너지기 쉽습니다. 이를 보완하기 위해서 유리섬유강화폴리머(GFRP) 보강근이 만들어진 것입니다. GFRP 보강근은 기존 철근과 열팽창계수가 같아 철근과 팽창률이 거의 같습니다. 강도는 기존 철근의 2~4배 가량 강합니다. 무게는 철근 보다 1/4가량 가벼워 운반 및 적재가 용이합니다. 녹이 슬지 않습니다. 내구성이 강합니다. 그 외에도 생산할 때 철근이 1600도 이상 고온으로 생산되지만, GFRP 보강근은 훨씬 낮은 온도에서 생산되어서 이산화탄소 배출도 저감되어 환경적인 측면에서도 나쁘지 않습니다. 이러한 특징을 볼 때 기존 철근 보다 매력적인 자재인 것은 분명합니다. 아직은 사용하는 현장이 많지 않지만 가격도 기존 철근 보다 20% 정도 저렴하다는 업체가 있다고 하니 점차 사용하는 현장이 늘어날 것으로 예상됩니다.
화학
Q. 희토류 라는 것이 정체가 무엇인가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.희토류는 스마트폰 화면에서 색을 발하게 하는 것, 유럽연합의 지폐인 유로화 위조를 방지하는 형광 물질, 해저를 가로지르는 광섬유 케이블, 전기차와 컴퓨터의 자석, 헤드폰의 음파 생성, 열 추적 미사일의 궤적 이동, 양자 컴퓨터 제작 등에 쓰입니다. 이런 것이 가능한 것은 희토류의 독특한 전자 때문입니다. 모든 원자는 가운데에 핵이 있고, 핵 주변에는 궤도를 도는 전자가 있습니다. 핵에서 가장 먼 궤도를 도는 전자는 화학 반응에 참여하고 다른 원자와 결합합니다. 희토류 원소에는 특별한 궤도를 도는 f-전자라는 전자들이 있습니다. 이 f-전자들 덕분에 희토류 금속은 특이한 성질을 갖게 됩니다.희토류의 쓰임을 보면 현대에 있어서 중요한 첨단기술, 큰 돈이 될 수 있는 산업분야에 사용된다는 것을 짐작할 수 있습니다. 희토류를 가장 많이 보유한 국가는 중국인데 전 세계 희토류의 70% 이상이 중국에서 생산됩니다. 반면 미국에서는 하나의 광산만 있는 상황입니다. 그래서 미국에서 우려하는 것이 중국에서 희토류를 수출하지 않거나 가격을 터무니 없이 올렸을 때입니다. 그 때문에 우주개발에 박차를 가하고 있다고도 합니다. 그 정도 되면 얼마나 중요한 것인지 알 수 있을 겁니다. 자원전쟁으로 이어질 수도 있겠다고 보는 사람도 있을 정도입니다. 이미 세계적으로 스마트폰이나 컴퓨터 등이 생활에 깊게 뿌리내려 있는 분야에 사용되는 자원이기에 희토류 확보를 중요시 보는 것입니다. 미국 뿐 아니라 첨단산업이 크게 발전해 많은 수익이 발생되는 우리나라도 대비해야 될 것입니다.
토목공학
Q. 오늘 포항에 볼일이 있어서 고속도로를 좀 탔는데...
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.노면을 거칠게 하는 이유는 자연스럽게 속도를 줄일 수 있게 유도하는 것과 운전 중 졸음방지를 위한 것입니다. 어떤 곳에서는 노면 홈을 조절함으로써 마찰음의 높낮이가 생겨나게 해서 멜로디가 들리도록 한 곳도 있습니다. 일반도로에서도 그렇지만 특히 고속도로에서 운전하다 보면 과속을 하는 경우가 많은데 기본적인 제한 속도가 일반도로 보다 높기 때문에 과속을 했을 때 속도가 매우 높을 것입니다. 속도가 높아질수록 시고시 피해도 커지기 때문에 주의를 요하는 곳에 노면을 거칠게 하거나 카메라 설치 등의 방법으로 속도를 낮추도록 유도합니다. 톨게이트 같은 곳에 가까워질 때도 노면이 거친 것을 알수 있을 겁니다. 그 외에도 사고다발지역이나 속도를 줄여야 할 필요가 있다면 노면을 거칠게 만들어줍니다. 속도를 줄이는 것 외에도 장시간 운전 시 졸음이 올 경우가 많기 때문에 마찰음이 크게 들리게 해서 졸음을 쫓을 수 있게 해주는 것도 있습니다. 속도가 높을수록 사고 발생시 피해가 크다고 했는데 속도가 높을수록 눈을 잠시라도 뗐을 때 사고 발생 위험도 커집니다. 그렇기에 졸음운전이 매우 위험하다는 것을 알 수 있습니다. 졸음쉼터를 만들기도 하지만 운전자가 스스로 방문해서 졸음을 해결하지 않으면 소용 없기에 원치 않아도 자극을 받도록 한 것입니다. 그 외에도 터널 내에서 경고음이 들리게 하거나 화려한 조명을 설치하는 등 다양한 것들을 통해 졸음 방지에 노력하고 있습니다.운전자에게 불편할 수도 있겠지만 안전을 위해서 마련한 장치라고 생각하시면 좋을 것 같습니다.
화학
Q. 불났을때 문을 함부로 열면 큰일난다고하던데요
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.불(연소)은 가연성 물질이 열과 산소를 만나 에너지를 빛과 열의 행태로 방출하는 산화과정입니다. 연소에 꼭 필요한 세가지가 연료, 산소, 열(발화점 이상의 온도)입니다. 그래서 불을 끌 때는 그 세가지 중 하나라도 없애면 됩니다. 폐쇄된 공간에서 불이 나고 있다면 산소가 부족해져서 불이 점차 줄어들 것입니다. 하지만 많은 가연성 가스가 모이게 되고, 외부로 열이 방출되지 못해 고온인 상태가 됩니다. 그때 개구부가 열려 외부로부터 공기(산소)가 유입되면 축척되어 있던 고온의 가연성 가스가 산소와 반응해 폭발적으로 연소하게 되는 것입니다.
물리
Q. 탁구공을 던지면 똑바로가지 않고 휘어갑니다
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.탁구공이 가볍기 때문에 공기저항을 받아서 휘게 됩니다. 공기 저항을 받는 한 일직선으로 날아가지 않을 겁니다. 일직선으로 던지기 위해서는 진공상태인 곳에서 던지면 가능할 것입니다.
지구과학·천문우주
Q. 아폴로11호의 달 착륙이후 더이상 달착륙은 시도하지 않는건가요?
안녕하세요. 염정흠 과학전문가입니다.아폴로 11호~17호 중에 13호를 제외하고 총 6번 달 착륙에 성공했습니다. 그렇게 되기까지 소련(러시아)과 경쟁구도로 인한 결과였습니다. 그 후 미국 국민들의 반대가 거세짐에 따라 더 이상 프로젝트를 진행하지 않았습니다. 국민들의 반대 이유는 아폴로 계획에 막대란 자본이 들어가는 것 때문이었습니다. 당시 총 250억 달려 (우리나라 돈으로 100조원 가량) 지출하였습니다. 소련과의 경쟁에서 우위에 섰다는 것 외에 경제적인 이득은 없었기에 계속 현재는 미국과 여러 나라가 우주 탐사 계획을 추진 중인데 달에 있는 희귀 자원을 선점하기 위한 것이라는 얘기가 있습니다. 현재는 개발비용 부족으로 늦어지고 있지만 다시 달 탐사 계획이 진행될 것으로 보입니다.