Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 아래 사진은 들녘에 외롭게 피어 있는 하얀 꽃, 애처로우면서도 소박해 보입니다. 씀바퀴 같은 잎새인데 가을철에 꽃이 피어나네요. 무슨 꽃인가 신기해서요.
안녕하세요. 사진에 보이는 식물은 도깨비가지(Datura stramonium)로 보입니다. 도깨비 가지는 나팔 모양의 큰 흰색 꽃과 뾰족한 가시가 달린 열매가 특징적인 식물로, 전 세계적으로 널리 퍼져 있는 식물입니다. 꽃은 주로 저녁에 피어나 밤새 개화하며, 아침에는 다시 닫히기도 합니다. 크고 넓은 잎은 불규칙한 톱니 모양의 가장자리를 가지고 있으며, 짙은 녹색을 띱니다. 날카로운 가시가 달린 구형의 열매는 성숙하면서 갈라지며, 내부에 많은 검은 색 씨앗이 들어 있습니다. 도깨비가지는 알칼로이드 성분을 포함하고 있어 독성이 있습니다. 식용이나 약용으로 사용할 때는 매우 조심해야 하며, 전문적인 지식 없이는 사용을 피해야 합니다. 종종 약용으로의 잠재력으로 인해 민간요법에서도 다양하게 사용되기도 하지만, 그 위험성 때문에 사용에 대해서는 주의가 다시한번 요구됩니다.
Q. 도룡뇽은 알에서 깨어나 3년에서 5년이 지나야 짝짓기를 할 수 있다고 하는데요. 개구리도 이렇게 오랜 시간이 지나야 성체가 되고 짝짓기를 할 수 있나요?
안녕하세요. 도롱뇽과 개구리는 양서류로 비슷한 생태적 특성을 가지지만, 성체가 되는 시기나 번식 가능 연령은 종에 따라 차이가 있습니다. 도롱뇽의 경우 알에서 깨어난 후 약 2년이 지나 성체가 되며, 암컷과 수컷이 번식 가능한 상태가 되기까지 각각 4년과 3년이 소요된다고 알려져 있습니다. 이는 환경 조건, 먹이 가용성, 기후 등 다양한 요인에 따라 달라질 수 있습니다. 개구리의 경우 일반적으로 성체가 되는 시기는 상대적으로 더 짧습니다. 대부분의 개구리 종은 알에서 깨어난 후 1~2년 내에 성체로 성장하며 번식을 할 수 있습니다. 예를 들어, 한국에 서식하는 참개구리나 북방산개구리와 같은 종들은 1년에서 2년 사이에 성숙해 번식을 시작하는 경우가 많습니다. 물론 이 역시 개체가 속한 종, 기후 조건, 서식 환경ㅇ 따라 다소 변동이 있을 수 있습니다. 수명 측면에서도 도롱뇽과 개구리는 차이가 있습니다. 도롱뇽은 평균적으로 10년~20년 생존할 수 있는 반면, 개구리는 종에 따라 5년~10년 정도의 수명을 가지는 경우가 많습니다. 따라서 도롱뇽은 개구리에 비해 성체가 되는 시간이 길고 번식 준비에 더 긴 시간이 걸리지만, 전체적으로 수명도 더 길어 이러한 발달 속도를 설명할 수 있습니다.
Q. 열에의해 물체의 부피는 어떻게 변화하나요?
안녕하세요. 열에 의해 물체의 부피 변화는 열팽창이라는 현상을 통해 설명될 수 있습니다. 물질이 열을 흡수할때, 그 구성 원자나 분자의 운동 에너지가 증가하며 이는 원자 간의 평균 거리를 증가시킵니다. 이로 인해 대부분의 물질은 온도가 상승함에 따라 부피가 확장됩니다. 열팽창의 과정은 먼저, 온도가 상승함에 따라 분자의 운동이 활발해집니다. 이는 분자 간의 평균 거리가 늘어나게 만들고, 고체나 액체의 경우 이것이 부피 팽창으로 직접적으로 연결됩니다. 부피 팽창 계수(volume expansion coefficient)는 물질이 온도에 따라 어느 정도로 부피가 증가하는지를 나타내는 비율입니다. 이 계수는 물질으 ㅣ특성에 따라 다르며, 온도 변화에 따른 부피 변화율을 정량적으로 설명합니다. 물체의 부피 변화는 다음과 같은 수식으로 표현될 수 있습니다 : ΔV=V₀βΔT 여기서 ΔV는 부피 변화, V₀는 초기 부피, β는 부피 팽창 계수, ΔT는 온도 변화입니다. 예외적으로 일부 물질은 온도가 내려갈때 팽창하는 특이한 성질을 보이기도 합니다. 예를 들어, 물은 4°C 이하에서 온도가 내려갈수록 팽창하는 특성을 나타냅니다. 이는 물의 분자 구조가 낮은 온도에서 더 효율적으로 배열되기 때문입니다. 따라서, 열에 의한 물체의 부피 변화는 물질의 종류와 온도 변화의 범위에 따라 다르게 나타납니다.
Q. 부력은 질량이 영향을 미치지 않는 건가요?
안녕하세요. 부력은 직접적으로 물체의 질량에 의존하지 않습니다. 그러나 부력의 크기는 물체가 물 속에서 밀어내는 물의 양, 즉 물체가 차지하는 부피에 의해 결정됩니다. 이 개념은 아르키메데스의 원리로 알려져 있으며, 물체에 작용하는 부력은 물체가 배출하는 유체의 무게와 같습니다. 아르키메데스의 원리에 따르면, 물체가 유체(물)에 잠겼을 때, 그 물체는 자신의 부피와 같은 양의 유체의 무게만큼의 힘을 상향 방향으로 받습니다. 부력의 크기는 아래의 공식으로 계산이 가능합니다 : B=ρVg 여기서, B는 부력 ρ는 유체의 밀도, V는 물체가 잠긴 부분의 부피, g는 중력 가속도 입니다. 부력 자체는 질량에 직접적으로 의존하지 않지만, 물체의 질량과 밀도는 물체가 얼마나 물에 잠기는지를 결정하므로 간접적으로 부력의 효과에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 같은 부피를 가진 물체라도 밀도가 더 높은 물체(즉, 질량이 더 큰 물체)는 더 많이 가라앉습니다. 이는 물체가 물속에서 차지하는 부피가 줄어들어 부력이 감소하기 때문입니다. 결국, 부력은 직접적으로 물체의 질량에 의존하지 않고 물체가 물에 잠긴 부피에 의해 결정됩니다. 그러나 물체의 질량과 밀도는 잠긴 부피를 간접적으로 영향을 미치므로, 부력을 이해할 때 이러한 요소를 고려하는 것이 중요합니다. 이러한 이해는 물체가 유체 내에서 어떻게 행동할지 예측하는데 매우 중요합니다.
Q. 물이 담긴 종이컵이 타지 않는 이유는 무엇때문인가요?
안녕하세요. 종이컵에 물을 담고 불을 가했을때 컵이 타지 않는 현상은 물의 높은 비열과 열의 전도 메커니즘에 의한 현상입니다. 물은 그 자체로 열을 매우 효율적으로 흡수하고 분산시키는 능력이 뛰어난 물질입니다. 이러한 성질은 종이컵이 불에 직접 노출되었을 때, 종이가 쉽게 점화 온도에 도달하지 않게 하는데 중요한 역할을 합니다. 물의 비열(capacity of heat)은 매우 높습니다. 이는 물이 단위 질량당 상당량의 열을 흡수할 수 있음을 의미하며, 그 결과 물의 온도가 느리게 상승합니다. 이러한 높은 비열 덕분에, 종이컵 내부의 물이 가열될 때, 열은 물에 의해 흡수되어 종이의 점화 온도까지 도달하기 어렵게 만듭니다. 또한, 열의 전도(conduction of heat) 과정에서, 종이컵의 벽을 통해 전달되는 열은 물에 의해 주변으로 효과적으로 분산됩니다. 종이의 점화 온도는 약 230°C 이상이 필요하지만, 종이컵에 담긴 물은 이러한 온도에 도달하기 전에 먼저 열을 흡수하여 종이가 타는 것을 방지합니다. 이러한 현상은 고체 상태의 종이가 직접적인 열원과 접촉했을 때와는 대조적으로, 물이 열원과의 직접적인 접촉을 막아주며, 동시에 종이컵에 전달되는 열을 물이 효과적으로 흡수하고 분산시킵니다. 그 결과, 종이컵은 물이 존재하는 한 타지 않습니다. 이는 종이컵과 물이 형성하는 효율적인 열적 장벽 덕분에 가능한 현상입니다.