Doctor of Public Health 전상훈입니다
물리
Q. 주관성모멘트가 무엇이고, 어떻게 계산하는 건가요?
안녕하세요. 관성모멘트(moment of inertia)는 물체가 회전할때 그 회전에 저항하는 성질을 나타내는 물리량으로, 선형 운동에서의 질량에 해당하는 역할을 합니다. 즉, 물체가 특정 축을 기준으로 회전하려고 할때, 그 물체의 질량이 어떻게 분포되어 있는지에 따라 회전 운동에 대한 저항 정도가 달라지며, 이를 수치화한 것이 관성모멘트 입니다. 관성모멘트는 물체의 모양, 질량 분포, 회전하는 축에 따라 달라집니다. 관성모멘트의 정의는 물체의 각 질량 요소가 회전축에서 떨어진 거리의 제곱에 비례하여 계산됩니다. 수식으로 표현해보면 : I = ∑mᵢrᵢ² 여기서 , I는 관성모멘트, mᵢ는 물체의 각 질량 요소의 질량, rᵢ는 각 질량 요소가 회전축으로부터 떨어진 거리입니다. 연속적인 질량 분포를 가진 물체에 대해서는 적분을 통해 계산할 수 있으며, 이때는 다음과 같은 적분 형태를 사용합니다 : I = ∫r² dm 여기서 r은 질량 요소가 회전축으로부터 떨어진 거리 dm은 미소 질량입니다. 자니베코프 효과(Dzhanibekov effect)는 물체가 자유롭게 회전할 때 나타나는 불안정한 회전 현상으로, 물체의 주축 중 하나의 관성모멘트가 다른 두 주축의 관성모멘트 사이에 있을 때 발생하는 현상입니다. 물체는 세 개의 서로 다른 주관성모멘트(주축 기준의 관성모멘트)를 가질 수 있습니다. 이 주축들 중에서, 두 주축에 비해 중간 크기의 관성모멘트를 가진 축으로 회전할 때 물체가 불안정하게 회전하며, 이로 인해 자발적으로 회전 방향이 변화하는 현상이 발생할 수 있습니다. 이 현상을 설명하는 데에는 에너지가 고정된 상태에서 각운동량이 보존되려는 경향과 관련된 수학적 모델이 사용됩니다. 중간값을 갖는 주축에서 회전할 때, 아주 작은 외부 요인이나 내부의 불균형이 발생하면 물체는 불안정한 회전을 시작하게 됩니다. 관성모멘트는 물체의 질량 분포와 회전 축의 위치에 따라 다르게 계산됩니다. 예를 들어, 간단한 형태의 물체들에 대해 몇 가지 대표적인 관성모멘트를 살펴보면 : - 긴 막대가 끝을 기준으로 회전할 때의 관성모멘트 : I = (1/3) mL² 여기서 m은 막대의 질량, L은 막대의 길이 - 원판이나 원통이 중심축을 기준으로 회전할 때의 관성모멘트: I = (1/2) mr² 여기서 r은 원판의 반지름입니다. - 구가 중심축을 기준으로 회전할 때의 관성모멘트 : I = (2/5) mr² 여기서 r은 구의 반지름입니다. 각각의 물체에 따라 관성모멘트의 공식이 다르며, 물체의 대칭성과 질량 분포에 따라 계산 방법이 달라집니다. 자니베코프 효과에서 중요한 점은 물체가 세 가지 주축(주관성축)을 가지고 있다는 것입니다. 각 주축은 서로 다른 관성모멘트를 가지며, 이 중에서 가장 큰 값, 가장 작은 값, 중간값을 가집니다. 이 중에서 중간값을 가진 축을 기준으로 회전할 때 회전이 불안정해지고, 작은 외부 요인에도 민감하게 반응하여 회전 방향이 급격하게 변하는 현상이 자니베코프 효과로 설명됩니다. 결론적으로, 관성모멘트는 물체의 회전 저항을 나타내는 값으로, 자니베코프 효과에서는 중간 크기의 주관성모멘트가 중요한 역할을 합니다. 관성모멘트는 물체의 형태, 질량 분포, 회전축에 따라 수학적으로 계산되며, 이를 통해 회전 운동의 특성을 이해할 수 있습니다.
화학
Q. 우리가 먹는 음식 사용하는 제품 속에 숨겨진 미생물의 역할은 무엇일까요?
안녕하세요. 미생물은 우리가 일상적으로 섭취하는 음식과 사용하는 다양한 제품에서 매우 중요한 역할을 수행하며, 그 역할은 발효, 의약품 개발, 환경 정화 등 여러 분야에서 핵심적입니다. 이러한 미생물의 역할을 이해하면, 자연과 인간 생활 사이의 밀접한 관계를 보다 명확하게 파악할 수 있습니다. 발효 식품에서 미생물의 역할은 매우 중요합니다. 발효는 미생물(세균, 효모, 곰팡이 등)이 유기물(주로 당)을 분해하여 에너지를 얻는 과정에서 발생하는 화학적 변화를 일컫습니다. 이 과정에서 생성되는 산, 가스, 알코올 등이 음식의 맛, 향, 영양을 변화시킵니다. 예컨데, 젖산균(Lactobacillus)은 유제품에서 발효를 일으켜 요구르트나 치즈를 만드는데, 젖당을 분해해 젖산을 생성함으로써 산미와 독특한 텍스처를 부여합니다. 효모(yeast)는 당분을 발효시켜 빵을 부풀게하거나, 맥주와 와인에서 알코올과 이산화탄소를 생성합니다. 이러한 발효 과정에서 미생물은 식품의 보존성을 높이고, 유익한 물질을 생성하여 인간의 건강에 긍정적인 영향을 미칩니다. 의약품 분야에서도 미생물의 활용은 필수적입니다. 대표적으로, 항생제(antibiotics)의 개발에 있어 미생물은 중요한 자원입니다. 최초의 항생제인 페니실린(penicillin)은 페니실리움(Penicillium)이라는 곰팡이에서 추출되었습니다. 이 외에도 많은 항생제가 미생물로부터 유래되었으며, 그들은 질병을 일으키는 병원균을 억제하거나 파괴하는데 중요한 역할을 합니다. 또한, 인슐린과 같은 생명공학 제품은 재조합 DNA 기술을 통해 대장균(E. coli)과 같은 미생물에서 대량 생산됩니다. 이는 당뇨병 환자의 치료에 필수적인 호르몬을 제공하는 중요한 사례입니다. 또한, 환경 정화 분야에서도 미생물의 역할은 두드러집니다. 미생물은 자연적인 생물 분해(biodegradation) 과정을 통해 오염 물질을 분해하고 제거하는 데 기여합니다. 예를 들어, 특정 박테리아는 석유와 같은 탄화수소를 분해할 수 있으며, 이는 유류 오염 사고에서 환경을 복원하는 데 중요한 역할을 합니다. 또한, 질소 고정균(nitrogen-fixing bacteria)은 공기 중의 질소를 고정하여 식물에게 이용 가능한 형태로 변환시켜 농업에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 미생물들은 대기 중 온실가스를 줄이거나 폐수 속의 유해 물질을 제거하는 데도 사용됩니다.
화학
Q. 오염된 물을 정화 시킬 때 tv에서 보니, 하얀색 가루를 뿌리던데 이 하얀색 가루는 어떤 물체이길래, 오염 된 물을 정화시킬수 있는 건가요?
안녕하세요. 오염된 물을 정화할 때 사용되는 하얀색 가루는 대개 응집제(coagulant) 또는 흡착제(adsorbent)로 작용하는 물질입니다. 이 물질들은 물 속의 미세한 입자나 오염 물질들을 서로 응집시키거나 흡착하여 더 큰 덩어리를 형성하게 만듭니다. 그 결과, 물에 떠다니는 오염 물질들이 서로 결합하여 크기가 커지면, 침전이나 필터링을 통해 쉽게 제거할 수 있습니다. 가장 흔히 사용되는 하얀색 가루 형태의 물질로는 염화알루미늄(AlCl₃) 또는 황산알루미늄(Al₂(SO₄)₃) 등이 있습니다. 이러한 화합물들은 물 속에서 이온으로 분해되어 양전하를 띠는 알루미늄 이온을 방출하고, 이는 물 속의 미세한 부유물질이나 음전하를 띠는 오염 입자들과 결합하여 큰 덩어리를 형성하게 합니다. 이 과정은 응집(coagulation)이라고 불리며, 오염된 물에서 고체 부유물을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 또한, 활성탄과 같은 흡착제도 하얀색 또는 회색 가루 형태로 사용되며, 이는 물 속의 유기물질이나 중금속을 흡착하여 물을 정화하는데 사용됩니다. 활성탄은 미세한 기공 구조를 가지고 있어, 오염 물질을 물리적으로 흡착하여 물을 정화하는 역할을 합니다.
화학
Q. 전자와 양성자 크기는 다른 이유가 무었인가요?
안녕하세요. 전자와 양성자의 질량 차이, 그리고 그들의 전하량이 동일함에도 불구하고 물리적 성질에서 차이를 보이는 이유는 입자의 본질적인 구성과 그에 따른 상호작용에 기인합니다. 먼저, 전자와 양성자의 전하량은 같지만 반대 부호를 갖습니다. 전자의 전하는 −1.6 × 10⁻¹⁹ C, 양성자의 전하는 +1.6 × 10⁻¹⁹ C로 전하량의 크기는 동일하지만, 전자는 음전하를, 양성자는 양전하를 띱니다. 이는 두 입자의 전하량이 동일한 근본적인 전기적 상호작용을 나타내지만, 두 입자가 서로 다른 물리적 특성과 기원을 가지고 있음을 의미합니다. 양성자는 쿼크(quark)라는 기본 입자로 이루어져 있는 복합 입자입니다. 양성자는 두 개의 업 쿼크(up quark)와 하나의 다운 쿼크(down)로 구성되며, 이 쿼크들은 강한 상호작용(strong interaction)에 의해 결합됩니다. 강한 상호작용은 글루온(gluon)이라는 입자를 매개로 쿼크들 간에 작용하며, 이 상호작용이 매우 강력하기 때문에 양성자는 매우 큰 질량을 갖습니다. 실제로, 양성자의 대부분의 질량은 쿼크의 질량 그 자체보다는 이 강한 상호작용 에너지로부터 유래됩니다. 반면, 전자는 기본 입자(fundamental particle)로, 쿼크나 다른 하위 입자로 구성되어 있지 않습니다. 전자는 렙톤(lepton) 계열의 입자이며, 강한 상호작용을 받지 않는 입자입니다. 전자는 쿼크와 같은 복합적인 내부 구조가 없기 때문에, 상대적으로 매우 가벼운 질량을 가집니다. 전자의 질량은 약 9.11 × 10⁻³¹ kg로, 양성자의 질량(1.67 × 10⁻²⁷ kg)에 비해 약 1836배 가볍습니다. 질량의 차이가 발생하는 이유는 바로 이러한 입자들의 구성과 이들 간의 상호작용 때문입니다. 양성자는 쿼크와 강한 상호작용에 의해 결합된 복합 입자이기 때문에 질량이 매우 크고, 전자는 기본 입자로 복합적인 상호작용 없이 독립적인 존재로 질량이 매우 작습니다. 전하량은 두 입자가 모두 전기적 상호작용을 받기 때문에 동일한 크기를 가지지만, 그들의 질량 차이는 이러한 물리적 구성의 차이에 따른 것입니다.
화학
Q. tv에서 질식 소화포 라고 하는 걸 봤습니다.
안녕하세요. 질식 소화포는 화재가 발생한 물체를 덮어 산소 공급을 차단함으로써 불을 끄는 원리로 작동하는 소화 장비입니다. 이 방식은 전통적으로 일반적인 화재에 사용되어 왔으며, 특히 소형 화재에서 효과적으로 작용합니다. 그러나 전기차 배터리, 특히 리튬 이온 배터리(Lithium-ion battery)에서 발생하는 화재에 질식 소화포가 효과적인지에 대해서는 더 깊은 이해가 필요합니다. 리튬 이온 배터리의 화재는 일반적인 화재와는 다른 특징을 지니고 있습니다. 리튬 배터리 화재는 주로 열폭주(thermal runaway) 현상으로 인해 발생합니다. 열폭주는 배터리 셀이 과열되면서 내부 화학 반응이 급격히 증가하고, 그 결과로 배터리 내부에서 고온과 가스가 발생하며 폭발적인 화재로 이어질 수 있습니다. 이러한 화재는 산소만 차단한다고 쉽게 진압되지 않으며, 배터리 자체의 화학적 특성 때문에 내부에서 계속 연소가 지속될 수 있습니다. 리튬 배터리의 화재는 산소 없이도 연소가 가능한 특성을 지니기 때문에, 일반적인 질식 소화 방식으로는 완전한 진압이 어렵습니다. 실험에서 질식 소화포를 사용하여 전기차 배터리 화재 확산을 방지하는 시도가 이루어진 것이라면, 이는 화재가 주변으로 퍼지는 것을 막기 위한 일시적인 조치로 해석할 수 있습니다. 소화포를 사용해 산소를 차단함으로써 불길의 확산을 억제하고, 주변으로의 화재 피해를 최소화할 수는 있지만, 배터리 내부에서 진행되는 열폭주 현상이나 자체 연소를 완전히 멈추게 하지는 못할 가능성이 큽니다.