Doctor of Public Health 전상훈입니다
물리
Q. 일반 상대성 이론이 거시세계를 완벽하게 설명하는지 궁금합니다.
안녕하세요. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 중력을 설명하는 획기적인 이론으로, 중력 현상을 시공간의 곡률로 설명함으로써 뉴턴 역학의 한계를 극복하였습니다. 일반 상대성 이론은 수성의 근일점 세차 운동과 같은 일부 천체 현상을 정확하게 설명함으로써 과학적 검증을 받았습니다. 그러나 이 이론이 우주의 모든 거시적 현상을 완벽하게 설명한다고 보기는 어렵습니다. 먼저, 일반 상대성 이론은 블랙홀 내부와 같은 극단적인 조건에서 나타나는 특이점을 설명하는데 한계를 드러냅니다. 이러한 특이점에서는 물리 법칙이 무너지며, 현재의 이론으로는 그 상태를 충분히 설명할 수 없습니다. 또한, 이 이론은 양자역학(Quantum Mechanics)과의 통합 문제에서도 어려움을 겪고 있습니다. 우주의 초미세 구조를 다루는 양자역학과 거시적인 구조를 다루는 일반 상대성 이론 간에는 여전히 일관된 이론적 틀을 마련하지 못하고 있습니다. 이 외에도, 현대 우주론에서 중요한 역할을 하는 암흑 물질과 암흑 에너지의 존재 역시 일반 상대성 이론으로는 완전히 설명되지 않은 영역입니다. 따라서 일반 상대성 이론은 여전히 발전 중인 이론으로, 그 한계를 극복하기 위한 다양한 과학적 노력이 계속되고 있습니다. 이는 향후 물리학의 발전 방향에 중요한 영향을 미칠 것입니다.
물리
Q. 비행기 창문은 왜 다 둥근 형태인가요?
안녕하세요. 비행기 창문이 둥근 형태인 이유는 주로 구조적 안정성과 관련이 있습니다. 비행기의 창문이 원래 사각형이었을 때, 창문의 모서리 부분에서 응력이 집중되는 현상이 발견되었습니다. 응력 집중은 창문 모서리에서 균열이 생기거나 파손으로 이어질 수 있는 위험을 증가시키며, 이는 비행 중 기내의 고압과 외부의 저압 사이의 압력 차이에 의해 더욱 심화될 수 있습니다. 1950년대 초, 두 대의 제트기에서 연이어 발생한 추락 사고가 있었습니다. 이 사고들의 조사 결과, 비행기의 사각형 창문 모서리에서 발생한 금이 주된 원인임이 밝혀졌습니다. 이후 항공 산업에서는 창문의 모서리를 둥글게 디자인함으로써 응력 집중을 피하고, 비행 중 발생할 수 있는 구조적 문제를 최소화하기 시작했습니다. 둥근 모서리를 가진 창문은 모서리에 응력이 고르게 분포되게 함으로써, 구조적 결함으로 인한 문제를 방지합니다. 이 디자인 변경은 비행기의 안전성을 크게 향상시켜 현재에 이르렀으며, 이러한 이유로 현대 비행기에서는 둥근 형태의 창문이 표준으로 사용되고 있습니다.
화학
Q. 고등학교 1학년 산화 환원 문제에 대한 궁금증
안녕하세요. 문제에서 언급된 원자량은 원자의 질량을 나타내는데 사용되며, 특정 원자나 분자가 한 몰일 때의 그램 단위 질량을 의미합니다. 원자량은 각 원소의 상대적인 질량을 비교하는데 사용됩니다. 이 문제의 화학 반응은 산화 환원 반응입니다. 산화 환원 반응은 한 원소가 전자를 잃고 다른 원소가 그 전자를 얻는 반응입니다. 여기서 철(Fe)은 산화되어 전자 두 개를 잃고 철 이온(Fe²⁺)이 됩니다. 은 이온(Ag⁺)은 이 전자들을 얻어 은(Ag)으로 환원됩니다. 문제에서 철이 산화되어 전자를 잃으면서 철의 질량이 늘어난다고 말하는 것은 사실상 잘못된 설명입니다. 실제로는 철의 질량이 변하지 않고, 전자를 잃은 상태인 Fe²⁺의 형태로 존재하게 됩니다. 전자 자체의 질량은 매우 미미하여 이 반응에서 철의 총 질량에 영향을 주지 않습니다. 반응을 좀 더 자세히 살펴 보면 : - 철은 전자 2개를 잃어 Fe²⁺가 됩니다. - 은 이온(Ag⁺) 2개는 각각 전자 1개씩을 얻어 은(Ag)으로 환원됩니다. 이 반응에서 은 이온의 원자량이 철의 원자량보다 크기 때문에, 은 이온이 은으로 환원되는 과정에서 전체적인 반응물의 질량은 증가하지 않습니다. 이는 전자의 이동이 원자의 원자량을 변경하지 않기 때문입니다. 만약 원래 문제의 문장이나 해설에서 혼동이 있었다면, 그 부분은 오해의 소지가 있습니다. 전반적으로 산화 환원 반응에서는 원자량의 변화가 아니라 전자의 이동과 원소의 산화 상태 변화에 주목해야 합니다.
물리
Q. 범죄에 사용되는 무기를 휘두르는 속력이 얼마나 될까요?
안녕하세요. 흉기를 휘두르는 속력에 관한 데이터는 범죄 상황의 다양성 때문에 일관된 수치를 제공하기 어렵지만, 몇 가지 연구와 실험을 통해 대략적인 추정이 가능합니다. 일반적으로 칼이나 둔기와 같은 흉기를 사용하는 범죄에서의 동작 속도는 매우 다양할 수 있습니다. 대략적으로, 칼을 휘두르는 속도는 초당 약 5~20미터(m/s) 범위 내에서 발생할 수 있습니다. 강력한 일격을 가할 경우, 이 속도는 상한선을 초과할 수도 있습니다. 둔기를 사용할 때의 속도는 비슷하거나 약간 낮을 수 있는데, 둔기의 무게 때문에 속도가 다소 제한될 수 있습니다. STF(Shear Thickening Fluid)를 이용한 방탄복은 저속 충격에 대해서는 상대적으로 약할 수 있습니다. STF는 물질이 충격을 받을 때 더 강해지는 비뉴턴 유체의 한 종류로, 높은 속도로 이루어지는 충격(ex : 총알)에 대해서는 효과적으로 보호하지만, 저속 충격에는 물질이 충분히 빨리 강화되지 않아 보호 효과가 떨어질 수 있습니다. 따라서, 흉기를 휘두르는 행위의 속도는 저속 충격에 해당될 수 있으며, 이는 STF 기반 방탄복의 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 유형의 방탄복을 평가할 때는 다양한 속도에서의 충격에 대한 보호 효과를 고려해야 합니다.
물리
Q. 전기가 이동하는 속도는 빛의 속도만큼 빠른가요?
안녕하세요. 전기가 이동하는 속도는 실제로 빛의 속도(진공에서 약 299,792 km/s)와는 다릅니다. 전기가 이동한다고 했을때, 이는 전자의 흐름을 의미하는 것이 아니라 전기 신호의 전파 속도를 의미합니다. 이 전파 속도는 전선의 재질과 구조에 따라 달라지지만, 일반적으로 빛의 속도의 약 50%에서 99% 범위 내에서 이동합니다. 전기 신호의 속도는 전선의 전기적 특성인 유전율과 투자율에 의해 결정됩니다. 예컨데, 구리 전선을 사용할 경우, 전기 신호의 속도는 대략 빛의 속도의 60% 정도입니다. 따라서, 우리가 스위치를 켤 때 불이 거의 즉시 켜지는 것처럼 느껴지는 것은 전기 신호가 매우 빠르게 이동하기 때문입니다. 결론적으로 ,전기가 이동하는 속도는 매우 빠르긴 하지만 빛의 속도와 같지는 않습니다. 전기 신호는 전선의 유형과 재질에 따라 그 속도가 달라지며, 빛의 속도에 가깝게 이동할 수는 있지만, 진공에서의 빛의 속도에는 미치지 못합니다.