Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 유체가 멈춰보이는 현상은 왜 발생하는건가요?
안녕하세요. 유체가 멈춰 보이는 현상, 종종 스트로보스코픽 효과(Stroboscopic effect) 또는 스트로브 효과(Strobe effect)로 알려진 이 현상은 일상생활에서도 종종 관찰될 수 있습니다. 이 현상은 주로 인공 조명의 깜박임 빈도와 유체의 움직임이 동기화될 때 발생하며, 빛의 깜박임과 유체의 움직임 사이의 시간적 상관 관계에 기인합니다. 현상의 발생 원리를 구체적으로 살펴보면, 형광등이나 LED 조명과 같은 일부 인공 조명은 교류 전원(AC)을 사용하여 운영되며, 이 교류 전원은 주기적으로 전압이 변동하면서 빛을 깜박이게 만듭니다. 이 깜박임은 보통 눈에 띄지 않지만, 초당 약 50회에서 60회의 빈도로 발생합니다. 유체의 흐름이 이 깜박임과 동일한 속도나 그 배수의 속도로 움직이게 되면, 각 깜박임 사이에 유체의 위치가 고정된 것처럼 보이는 현상이 나타납니다. 이는 카메라 셔터 속도와 움직이는 객체의 속도가 동기화되어 사진에서 객체가 정지해 보이는 것과 유사한 원리입니다. 이 스트로브 효과는 실생활에서 유용하게 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 기계의 회전 속도를 측정하거나 진동을 분석하는 데 이 현상을 활용할 수 있습니다. 또한, 이 현상은 엔터테인먼트 산업에서도 특수 효과를 생성하는 데 사용됩니다. 참고 문헌 : Fundamentals of Physics (Halliday, Resnick, Walker)
Q. 액체마다 어는점이틀린이유는 무엇일까요?
안녕하세요. 액체의 어는점(freezing point ; 빙점)이 서로 다른 이유는 주로 해당 액체를 구성하는 분자의 성질에 원인이 있습니다. 어는점은 액체 상태의 물질이 고체 상태로 전환되는 온도를 나타내며, 이는 분자 간의 상호작용 및 분자의 구조적 특성에 의해서 결정됩니다. 분자 크기 및 구조는 어는점에 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로 ,분자가 클수록 또는 구조적으로 복잡할수록 더 많은 표면적을 제공하고, 이는 더 강력한 분자 간 상호작용을 가능하게 합니다. 이러한 상호작용은 분자들이 고체 형태로 배열되는데 필요한 에너지를 증가시켜, 결과적으로 더 높은 어는점을 유도합니다. 또한, 분자의 분극성 및 형성 가능한 특정 결합 유형(ex : 수소결합)도 중요한 역할을 합니다. 수소 결합은 매우 강한 결합 유형으로, 분자들 사이에서 이러한 결합이 형성될 수록 더 높은 어는점을 나타냅니다. 예를 들면, 물(H₂O)은 수소 결합 능력이 뛰어나 다른 유사한 분자량의 액체보다 상대적으로 높은 어는점을 가지고 있습니다.
Q. 학생이 무료로 쓸 수 있는 전산유체공학 프로그램이 있을까요??
안녕하세요. 전산유체 공학(Computational Fluid Dynamics ; CFD)에 관심이 있는 사람들을 위한 프로그램을 소개해드리겠습니다. 비교적 사용이 간단하고, 학습 자료와 커뮤니티 지원이 갖춰져 있는 곳 위주로 소개를 해드리겠습니다. - CFDtool : MATLAB 환경에서 작동하는 MATLAB용 간단한 CFD 툴박스입니다. MATLAB이 학교나 기관을 통해 제공된다면, 이 툴박스를 사용하여 기본적인 CFD 문제를 손쉽게 해결할 수 있습니다. * MATLAB은 개인적으로 석사 박사 시절에 저는 사용을 했는데, 고등학교때 CFD에 관심이 있는 학생이라면 사용할 수 있는 환경이라면 꼭 배워봤으면 좋겠다는 생각에 우선 해당 tool을 소개했습니다. 고등학교에 제공이되는지는 모르겠지만, 혹시 나중에라도 관심을 두고 익혀두면 미래에 큰 도움이 될 것입니다. - Autodesk CFD : Autodesk에서 제공하는 CFD 솔루션으로, 교육용 라이선스를 무료로 제공받을 수 있습니다. 사용이 쉽고 직관적인 인터페이스를 갖추고 있어 학생들이 사용하기에 적합합니다. - OpenFOAM : 오픈 소스 CFD 소프트웨어 입니다. 다양한 유체역학 문제를 해결할 수 있는 좋은 툴입니다. 설치와 사용에 약간의 숙달이 필요하지만, 여러 플랫폼 (ex : 유튜브, 구글 등)에 검색해보면 쉽게 익힐 수 있습니다. - SimScale : 클라우드 기반 CFD 솔루션으로, 웹 브라우저를 통해 쉽게 접근이 용이합니다. 특히, 무료 교육 계정을 제공하며, 다양한 유체역학 시뮬레이션과 열전달 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.
Q. 학교에서 물리라는과목을 배우긴하는데
안녕하세요. 물리학은 단순한 이론적 학문을 넘어, 일상생활의 다양한 측면에서 그 필요성을 발견할 수 있습니다. 일반적으로 물리학은 우리가 사용하는 기술, 자연 현상의 이해, 심지어 스포츠에서도 그 원리가 적용되며, 우리의 삶을 보다 효율적이고 안전하게 만드는데 기여합니다. 먼저, 기술 발전에 있어 물리학은 필수적인 역할을 합니다. 예를 들어, 전자기학(theory of electromagnetism)은 모든 현대 전자 기기의 작동 원리의 기반이며, 역학(mechanics)은 건축물의 안전성 평가, 자동차의 설계 최적화 등에 적용됩니다. 또한, 광학(optics)은 의료 기기 및 통신 기술의 발전에 필수적인 학문 분야입니다. 생활 속에서 물리학의 원리는 에너지 사용과 관리에도 중요한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 열역학(the laws of thermodynamics)은 냉난방 시스템의 효율성을 개선하고, 재생 가능 에너지 기술의 개발에 기여하여 지속 가능한 환경을 조성하는데 중요합니다. 또한, 물리학은 우리의 안전과 직결된다. 교통 안전에서부터 재난 예방까지, 물리학의 원리를 이해하고 적용하는 것은 위험을 최소화하고, 효과적인 대응 전략을 마련하는데 중요합니다. 예컨대, 구조 역학(structural mechanics)은 지진이나 태풍과 같은 자연 재해에 대비한 건축물 설계에 활용됩니다.
Q. 핵 말고도 화학적으로 반응을 해서 에너지를 많이 얻을 수 있는 그런 것은 없는 건가요?
안녕하세요. 핵 에너지는 대규모 에너지를 생산할 수 있는 능력으로 인해 중요한 에너지원으로 인식되지만, 방사능 물질의 사용으로 인한 잠재적 위험성과 폐끼물 처리 문제로 인해 대체 에너지원에 대한 요구가 지속적으로 제기되고 있습니다. 이러한 맥락에서 화학 반응을 통해 에너지를 생산하는 방식은 핵 에너지의 가능한 대체재로서 관심을 끌고 있습니다. 화학 반응을 통한 에너지 생산의 대표적인 예로는 연료전지 기술을 들 수 있습니다. 연료전지는 화학적 산화환원 반응을 통해 전기를 직접 생성하는 장치로, 주로 수소와 산소의 반응을 이용합니다. 이 과정에서 발생하는 부산물은 물 뿐이므로 환경오염 문제가 상대적으로 적습니다. 연료전지 기술은 높은 에너지 효율과 낮은 배출 가스로 인해 자동차, 가정용 및 상업용 전력 공급 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 모색되고 있습니다. 또 다른 방법으로는 바이오매스를 활용한 에너지 생산이 있습니다. 바이오매스는 유기물을 연소하거나 발효하여 바이오가스나 바이오디젤과 같은 연료를 생성하고, 이를 태워서 에너지를 얻습니다. 이 과정에서 이산화탄소 순환을 통한 친환경적인 특성이 강조되며, 식물성 재료나 폐기물을 재활용하여 에너지를 생산할 수 있다는 점에서 지속 가능한 에너지원으로 평가받고 있습니다.