Doctor of Public Health 전상훈입니다
물리
Q. 벡터 개념은 누가 만들었나요? 알려주세요.
안녕하세요. 벡터의 개념은 수학과 물리학에서 방향과 크기를 동시에 고려할 수 있는 중요한 도구로서 발전했습니다. 이 개념의 형성과 발전에는 여러 학자들의 기여가 있었으며, 그 중심에는 아우구스트 페르디난드 메비우스, 윌리엄 로원 해밀턴, 헤르만 그라스만이 있습니다. 메비우스는 1827년에 방향을 갖는 선분인 바이선트 개념을 도입하면서 벡터의 원초적 형태를 제시했습니다. 이후 해밀턴과 그라스만은 독립적으로 벡터 분석의 기초를 다지며, 벡터의 개념을 수학적으로 체계화했습니다. 해밀턴은 쿼터니언을 통해 벡터의 곱셈과 관련된 규칙을 도입했으며, 이는 벡터 공간의 개념을 확장하는 데 기여했습니다. 반면, 그라스만은 외대수(exterior algebra)의 창시자로서 벡터의 더욱 추상적이고 광범위한 적용을 가능하게 했습니다. 그의 작업은 차원의 개념과 벡터의 선형 결합을 포함하여, 벡터가 수학과 물리학에서 어떻게 활용될 수 있는지에 대한 이해를 심화시켰습니다.
물리
Q. 완전 미분과 불완전 미분은 무슨 차이인가요?
안녕하세요. 완전 미분(exact differential)과 불완전 미분(inexact differential)은 미분형식의 특성과 적용 분야에서 명확한 차이를 보입니다. 완전 미분은 함수의 독립 변수가 미소하게 변할 때 그 함수의 전체적인 변화를 기술합니다. 이는 일반적인 다변수 함수 f(x,y,...)의 경우, 각 변수에 대한 편미분(partial derivatives)을 고려하여 표현되며, 함수의 완전 미분은 df = (∂f/∂x) dx + (∂f/∂y) dy + ...의 형태로 나타납니다. 이 표현은 편미분들이 특정 통합 조건(integrability conditions)을 만족할 때 완전하다고 할 수 있으며, 이는 미분형식이 경로에 의존하지 않고 특정 함수의 미분으로 표현될 수 있음을 의미합니다. 반면, 불완전 미분은 특정 경로에 따라 그 값이 달라질 수 있는 상황에서 사용됩니다. 이는 주로 열역학에서 열과 일 같은 비본존적 성질을 설명할 때 적용됩니다. 불완전 미분은 δQ 또는 δW와 같이 표현되며, 이는 통상적인 미분형식 d와는 달리, 미분이 특정 경로에 의존하여 완전한 함수의 미분으로 표현될 수 없음을 나타냅니다. 이러한 불완전 미분은 시스템의 열역학적 상태 변화를 설명하는 데 필수적이며, 열과 일의 전달이 경로 의존적인 특성을 갖는다는 중요한 열역학적 현실을 반영합니다.
물리
Q. 증기기관이 발전기로 이용되면 에너지 손실이 더 큰가요?
안녕하세요. 증기기관을 통한 전기 에너지 생성은 여러 단계에서의 에너지 변환을 포함하며, 각 변환 과정마다 일정 비율의 에너지 손실이 불가피하게 발생합니다. 이 과정의 시작은 증기기관이고, 이는 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 역할을 수행합니다. 열역학 제2법칙에 따르면, 열 에너지를 완전히 유용한 작업 에너지로 변환하는 것은 불가능합니다. 실제로, 증기기관의 열효율은 이상적인 카르노 효율에 의해 제한되며, 이는 열원과 냉각원 사이의 온도 차에 기반합니다. 기계적 에너지를 전기 에너지로 추가 변환할 때, 발전기가 사용됩니다. 발전기는 증기기관이 제공하는 회전 운동을 전기적 흐름으로 변환하며, 이 과정에서 발생하는 에너지 손실은 주로 기계적 마찰과 전기 저항에 기인합니다. 결과적으로, 기계적 에너지만을 사용하는 경우보다 전기 에너지로의 변환 과정에서 더 많은 에너지 손실이 발생하게 됩니다.
물리
Q. 병맥주를 사서 시원하게 먹으려고 냉동실에
안녕하세요. 병에 든 맥주가 얼어 깨지는 현상은 열역학의 기본 원리를 따르는 일입니다. 이 현상을 이해하는 핵심은 물리 화학적 성질에 대한 인식에서 출발합니다. 맥주는 주로 물과 알코올로 구성되어 있으며, 물의 빙점은 0°C(32°F)인 반면, 알코올의 빙점은 훨씬 낮습니다. 이 때문에 냉동실의 온도에서는 물이 먼저 얼기 시작합니다. 물이 얼면서 겪는 부피의 팽창은 약 9%에 이르며, 이는 물 분자의 결정 구조 때문에 발생합니다. 물이 얼면서 그 구조가 규칙적인 격자 모양을 이루게 되는데, 이로 인해 같은 질량의 액체 상태일 때보다 더 많은 공간을 차지하게 됩니다. 병 안의 맥주가 얼면서 부피가 팽창하게 되고, 이 과정에서 발생하는 내부 압력은 병을 깨뜨리기에 충분합니다. 특히 유리 병의 경우 내부로부터의 압력 증가에 매우 취약하여 액체의 팽창으로 인한 압력이 유리의 인장 강도를 초과하면 균열이 발생하게 됩니다.
물리
Q. 우리가 일상 생활 중에서 사용하는 것들 중에서 물리적인 이론이 사용되는 것에는 무엇이 있을까요?
안녕하세요. 물리학의 원리는 우리 일상에서 광범위하게 적용되며, 이러한 원리를 의식적으로 이해하고 활용함으로써 우리는 훨씬 더 효율적인 방식으로 기술을 사용하고 자연 현상을 이해할 수 있습니다. 가장 흔하게 접하는 물리 원리 중 하나는 전자기학(Electromagnetism) 입니다. 이 이론은 전자 기기의 작동 메커니즘을 설명하는 데 필수적이며 전자기 유도(Electromagnetic Induction)와 같은 개념은 전력 변환과 전송 시스템에서 중추적인 역할을 합니다. 또 다른 중요한 원리는 뉴턴의 운동 법칙(Newton`s Laws of Motion) 입니다. 이 법칙들은 우리가 차량을 운전할 때나 일상적인 물체의 움직임을 관찰할 때 적용됩니다. 자동차의 가속과 제동 과정에서 나타나는 힘과 운동의 상호작용은 뉴턴의 제2법칙(the second law of motion)과 제3 법칙(the third law of motion)에 의한 대표적인 예입니다.