이샘과학마당

Q.냉동실에서 막 꺼낸 차가운 얼음을 곧바로 입안에 넣으면 혀에 찰싹 달라붙어 잘 떼어지지 않습니다. 왜 그런가요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 얼음뿐 아니라 꽁꽁 얼어있는 아이스바를 먹으려 입에 넣을 때도 같은 경험을 하게 됩니다. 이러한 현상은 얼음이나 아이스바의 냉기에 의해 입술이나 혀의 침이 순간적으로 얼어붙기 때문에 생기는 것입니다. 얼음과 혀 사이의 수분이 순간적으로 얼어서 두 부분이 달라붙는 것입니다. 이것을 결빙이라고 합니다. 수분의 결빙에 의해 접착이 일어나는 사실은 아주 건조한 상태의 물건이나 손을 얼음이나 아이스바에 갖다 댈 경우에는 붙지 않는 것을 통해 확인할 수 있습니다. 물론 너무나 많은 양의 물이 있어서 순간적인 결빙이 일어나지 않을 때도 붙지 않습니다. 결빙에 의해 혀나 입술이 얼음에 붙었을 경우 약간의 시간이 지나 체온으로 결빙상태가 풀리게 되면 혀와 입술에서 얼음이 떨어지게 됩니다. Q. 지상에서 ‘무중력 상태’를 만들 수 있습니까? ..................................................................................................................................................................................................... A. 무중력 상태는 중력이 작용하지 않는 상태로 흔히 인공위성 안은 무중력 상태라고 합니다. 하지만 이 경우는 정확히 말하면 중력이 작용하지 않는 무중량 상태가 아니라 무게를 느끼지 못하는 무중력 상태입니다. 자유낙하하는 용기 내부의 물체나 우주선 안의 물체는 용기에 가해지는 중력가속도와 동일한 가속도를 받으며 운동하므로 중력이 작용하지 않는 것처럼 보이는데, 이것이 바로 무중량 상태입니다. 이런 원리를 이용하면 지상에서도 지속시간은 매우 짧지만 무중량(무중력)상태를 만들 수 있습니다. 예를 들어 고층빌딩의 엘리베이터 줄이 끊어져 엘리베이터가 자유낙하를 한다면 엘리베이터 안의 물체는 무중량 상태가 됩니다. 또한 항공기가 탄도비행(자체의 추진력 없이 던져진 물체가 운동하는 궤적을 따라가는 운동)을 하거나, 높은 고도에서 중력 가속도 크기로 수직강하를 하면, 항공기 내부는 무중량 상태가 됩니다. 실제로 미국이나 러시아는 특별히 설계된 항공기를 이용해, 몇 십 초를 넘지 못하는 짧은 시간이지만 무중량 상태를 만들어 우주 비행사들을 훈련에 이용하고 있습니다. Q. 수도꼭지에서 나오는 물은 아래로 갈수록 물줄기가 가늘어집니다. 왜 그런가요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 이 같은 현상은 물의 응집력과 중력 때문에 생겨납니다, 응집력이란 고체나 액체에서 인접한 두 부분에 작용하는 분자간의 인력을 말합니다. 이는 물체 내에서 물체의 형태를 유지시키는 힘으로 작용합니다. 응집력은 두 물체가 접촉하고 있을 때도 작용하는데, 이때는 특별히 부착력이라 부릅니다. 예를 들어 물에 유리조각을 넣었다 꺼내면 유리조각에 물이 묻습니다. 이는 물과 유리분자사이의 부착력이 물분자 사이의 응집력보다 크기 때문에 생기는 것입니다. 수도관이나 수도꼭지 부근의 물은 물과 관 사이의 부착력이 물 내부의 응집력보다 커서 물이 관쪽에 붙으려고 합니다. 그러나 수도꼭지를 통과해 나오면 부착력이 크게 약해지고 물분자끼리 작용하는 응집력이 큰 힘을 발휘해서 서로 모여들게 됩니다. 때문에 수도꼭지에서 나오는 물은 아래로 갈수록 가늘어집니다. 아래로 내려갈수록 물줄기가 가늘어지는 것은 중력의 영향도 있습니다. 물줄기는 중력에 의해 아래로 당겨지고 속도가 빨라집니다. 수도꼭지에서 나오는 물의 양이 일정하고 이것이 끊이지 않고 내려갈 때 중력에 의해 당겨져 아래로 갈수록 가늘어지는 것입니다. Q. 길을 걸어가거나 차를 타고 갈 때 달이나 태양이 따라오는 것처럼 느껴지는데, 왜 그런가요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 가까이 있는 사물의 경우 관찰자와 사물의 거리가 달라지면 사물의 크기도 다르게 보입니다. 길을 따라 걷고 있을 때 길 앞쪽에 정지해 있는 어떤 사물은 관찰자가 움직임에 따라 다가오는 것처럼 보이고, 뒤쪽에 정지해 있는 사물은 멀어지는 것처럼 보입니다. 달이나 태양과 같이 매우 떨어져 있는 것은 관찰자가 계속해서 움직여도 대상과 관찰자 사이의 거리가 거의 변하지 않습니다. 이는 우리가 아주 멀리 떨어져 있는 산을 바라보며 조금 걸었다고 해서 산의 위치가 다르게 보이지 않는 것과 같은 이치입니다. 우리는 생활 속에서 가까운 사물이 움직임에 따라 변화하는 것을 많이 봅니다. 그래서 우리의 감각은 움직임에 따라 사물이 변하는 것에 매우 익숙해져 있습니다. 이러한 일상적인 경험 때문에, 달이나 태양이 아주 멀리 떨어져 있어  움직이는 것으로 느낍니다. 흔히 달이 ‘따라오고 있다’고 느껴지는 것은 이 때문입니다. Q. 소라껍데기를 대면 바다 소리가 납니다. 왜 그런가요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 소라 껍데기에서 바다소리가 나는 것은 소라 껍데기가 공명기 역할을 하기 때문입니다. 우리가 듣지 못하는 주위의 작은 소리는 소라껍데기 안으로 들어와 공명을 일으키고 이것이 귀에 들리는 것입니다. 물체에 닿은 소리의 대부분은 반사돼 점차 사라지지만 특정한 진동수의소리는 물체를 진동시킵니다. 이 진동수를 그 물체의 공명진동수라고합니다. 소리의 진동수가 물체의 공명진동수와 일치하면 그 음이 증폭도어 소리가 커집니다. 같은 음높이를 내는 두 개의 공명진동수라고 합니다. 소리의 진동수가 물체의 공명진동수와 일치하면 그 음이 증폭되어 소리가 커집니다. 같은 음높이를 내는 두 개의 소리굽쇠를 책상 위에 놓고 하나를 울리면 다른 하나에서도 소리가 나는 것이 바로 공명입니다. 우리 주변에는 언제나 다양한 진동수의 작은 소리들이 있는데, 소라 껍데기는 그 소리들 중에서 자기에게 맞는 진동수의소리에 항상 공명하고 있습니다. 귀에 대지 않았을 때에도 소라 껍데기는 공명하고있으며, 우리가 소라껍데기에 귀를 가까이 했을 때, 그 소리를 듣게 되는 것입니다. 그리고 동명진동수는 물체의 크기, 모양, 재질에 따라 달라지는데, 소라 껍데기는 내부구조가 복잡해 그 안에서는 공명진동수가 일정치 않은 많은 소리가 만들어지므로 해변에서 나는 바다 소리처럼 들리게 됩니다. Q. 비행기가 공중에 뜨는 원리는 무엇입니까? ..................................................................................................................................................................................................... A. 비행기를 공중으로 들어올리는 힘(양력)은 날개 아래위에 걸리는 압력 차이에 의해서 나옵니다. 이 현상은 ‘베르누이의 원리’를 이용해서 설명할 수 있습니다. 18세기 스위스 과학자인 다니엘 베르누이는 공기나 물 같은 유체 흐름을 연구하던 중, 유체속력이 빨라지면 압력이 감소한다는 사실을 발견했습니다. 비행기 날개 근처의 공기 흐름을 생각해 봅시다. 비행기가 프로펠러나 제트 엔진을 이용해 앞으로 전진할 때 날개는 공기를 밀어내게 됩니다. 그런데 비행기 날개 모양을 살펴보면, 윗면은 둥그스름하고 아랫부분은 평평하다는 것을 알 수 있습니다. 이런 모양 때문에 날개 위쪽 공기는 아래쪽보다 더 먼 거리를 움직여야 합니다. 즉 날개 위쪽 공기 흐름이 날개 아래쪽보다 더 빨라집니다. 베르누이 원리에 따르면 속도가 빨라지면 압력이 낮아지므로, 날개 위쪽에 걸리는 압력은 날개 아래쪽에 걸리는 압력보다 작아집니다. 이 압력차이가 비행기를 공중에 떠오르게 하는 것입니다. 이 밖에 날개가 지면과 평행하지 않고 약간 기울어져 있다는 점도 중요한 역할을 합니다. 선풍기 앞에 부채를 비스듬히 가져갈 때 이 부채가 떠오르는 것처럼, 날개도 비스듬히 붙어있기 때문에 아래쪽으로 흐르는 공기가 비행기를 밀어 올리는 것입니다. Q. 자동차의 옆 거울에 “물체는 보이는 것보다 가까이 있습니다.”라는 문구가 적혀 있습니다. 왜 그런가요? .................................................................................................................................................................................................... A. 자동차의 옆 거울은 볼록거울로 돼 있습니다. 볼록거울은 평면거울보다 시야가 넓어지므로 차 뒤편의 지역을 넓게 보기 위해서 볼록거울을 사용합니다. 굽은 길에 사고를 예방하기 위해 세워두는 거울도 마찬가지로 볼록거울을 사용합니다. 따라서 볼록거울에 생긴 영상은 평면거울의 상보다 크기가 작습니다. 대부분의 사람들은 평면거울에 생긴 상의 크기로 대략적인 거리를 식별하는데 익숙해져 있습니다. 이러한 이유로 옆 거울에 생긴 영상의 크기만으로 거리를 파악하면 뒤차와의 거리가 실제보다 멀게 느껴지기 쉽습니다. 그래서 거울에서 느껴지는 거리감만으로 차선을 변경할 경우 사고가 날 가능성이 있으며, 이를 막기 위해 거울에 비친 물체가 생각보다 가까이 있다고 미리 경고를 하는 것입니다. Q. 자석에 뜨거운 열을 가하면 왜 자력을 잃어버리는가요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 우리가 흔히 볼 수 있는 영구자석의 자기력은 그 물질 속에 들어있는 원자 단위의 자기모멘트들이 특정한 형태로 배열된 결과로 나타나는 것입니다. 아울러 쇠붙이가 자석에 끌려가는 것 역시 자기력을 받아 쇠붙이 내의 ‘원자자석’들이 일직선으로 배열된 결과입니다. 그러나 자석에 일정 한도 이상의 열을 가하게 되면 영구자석 내부의 원자 자석들의 배열이 흐트러져 그것이 갖고 있던 자기력이 약해지거나 아예 사라지게 됩니다. 일반적인 영구차석들은 가정에서 사용하는 오븐에만 넣어두어도 그 자기력을 종종 잃게 되곤 합니다. 한편 쇠붙이의 경우에도 그것을 빨갛게 가열한 상태에서는 내부의 배열이 흐트러져 자석에 아예 붙지 않게 되는 일이 생기기도 합니다. 하지만 나중에 쇠붙이가 식은 후에는 자석에 붙은 성질을 다시 회복합니다. Q. 과학에서는 힘의 방향과 물체가 움직인 방향이 같이 일을 했다고 합니다. 그러면 도르래는 물체의 이동방향이 다른데도 왜 일을 했다고 하나요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 우선 지적해야 할 것은, 우리가 일상어법에서 사용하는 ‘일’의 개념과 서로 혼동해서는 안된다는 것입니다. 일상어법에서의 ‘일’은 단 하나의 뜻만 가지고 있는 것이 아니라 그 말이 사용되는 맥락에 따라 서로 다른 의미를 가질 수 있기 때문입니다. 물리학에서는 물체에 가해진 힘의 방향과 물체가 움직인 방향이 같을 때에만 ‘일’(W=F․s, 여기서 F는 가해진 힘, s는 F의 방향으로 움직인 거리)을 했다고 합니다. 따라서 이러한 정의에 따르면 우리가 무거운 물체를 한쪽 팔로 들고 길을 걸어간 경우에는 물체에 가해진 힘은 수직 방향이므로 일상어법상으로는 힘들여 ‘일’을 한 것이지만 물리학적인 ‘일’은 하지 않은 것입니다. 얼핏 도르래를 이용하면 힘은 연직 아래 방향으로 작용하는데 도르래에 매달린 물체는 작용시키는데 도르래에 매달린 물체는 연직 위 방향으로 움직이므로 가해진 힘과 물체가 움직인 방향이 다른 듯이 보입니다. 그러나 이 경우에는 물체에 직접 힘을 가하는 것이므로, 결국 밧줄을 아래로 당기는 ‘일’을 한 셈입니다. 이런 점을 고려하지 않고 사람이 가하는 힘과 밧줄에 매달린 물체가 움직인 방향만을 고려하면 혼동이 생길 수 있습니다. Q. 학예전시회에서 음파만으로 촛불을 끄는 것을 보았습니다. 어떻게 소리로 불을 끌 수 있습니까? ..................................................................................................................................................................................................... A. 소리, 즉 음파로 촛불을 끄는 원리는 입으로 촛불을 불어 끄는 원리와 크게 다르지 않습니다. 이를 이해하기 위해서는 우선 소리가 일종의 파동이며, 그 중에서도 종파에 해당한다는 것을 알아야 합니다. 종파는 파동의 진행 방향과 같은 방향으로 매질이 진동하는 것을 말하는데, 공기가 소리의 진행 방향을 따라서 밀도가 높아졌다 낮아졌다 하면서 소리를 전달하게 됩니다. 이 때 공기가 단지 진동할 뿐, 소리의 전파 방향 쪽으로 실제로 이동하는 것은 아니라는 점을 주의해야 합니다. 입으로 촛불을 불어 촛불을 꺼지는 이유는 입에서 나온 바람이 촛불을 타는 주위에 있는 공기를 순간적으로 밀어내어 산소의 공급을 차단하기 때문입니다. 소리굽쇠 같은 것을 이용해서 촛불 주위에서 음파를 발생시킨 경우에도 마찬가지입니다. 그것이 전파될 때 촛불 주위에 있는 공기가 진동하기 때문에 촛불이 흔들리면서 꺼지는 것입니다. Q. 영화에서 보면 고압 전깃줄에 사람이 두 팔로 대롱대롱 매달리니 감전이 되지 않았습니다. 왜 감전이 안되는지, 실제로 가능한지 알고 싶습니다. ..................................................................................................................................................................................................... A. ‘전지가 감전된다’라는 말은 곧 몸 속을 흐르는 전류에 의해 몸의 구성 부분이 충격을 받는다는 것을 의미합니다. 이런 일은 많은 전류가 몸을 타고 흐를 때 일어납니다. 그런데 전류가 흐르기 위해서는 몸의 서로 다른 두 부분 사이에 전위치가 존재해야만 합니다. 우리가 흔히 쓰는 일상어로는 ’전압이 걸려야‘하는 것입니다. 전깃줄에 사람이 매달린 영화 속의 상황에서는 매달린 두 팔의 전위가 같기 때문에 메달린 두 팔의 전위가 같기 때문에 매달린 몸의 서로 다른 두 부분 사이에 전위차가 발생하지 않으며, 따라서 전기 충격도 일어나지 않았을 때 아무 탈없이 무사한 것과 같은 이치입니다. 그러나 만약 두 손으로 전깃줄을 잡고 발을 땅에 대고 있다거나, 참새가 서로전압이 다른 전깃줄에 각각 한발씩을 올려놓고 있는 경우라면 몸의 두 부분사이에 전위차가 발생하므로 즉시 전기충격이 일어날 것입니다. 고압의 전류가 흐르는 지하철 역 같은 곳에서 낚시대나 풍선류를 조심하라고 경고하는 것도 이 때문입니다. Q. 전화선을 통해 어떻게 목소리가 전달될 수 있는지 궁금합니다. ..................................................................................................................................................................................................... A. 우리는 전화기를 이용해 먼 곳에 있는 사람과 대화를 나눌 수 있습니다. 그런데, 전화선을 통해 전달되는 것은 목소리 자체가 아닙니다. 전화선은 목소리에 대한 정보를 담고 있는 전류가 흐르는 일종의 전선이며, 목소리를 전류로 바꾸고 이를 다시 목소리로 바꾸는 역할을 전화기가 담당합니다. 오늘날 사용되는 전화기는 1876년 미국의 발명가 그레이엄 벨이 처음으로 고안했고, 유명한 발명왕 에디슨이 탄소 송화기(말을 하는 부분)를 만들었습니다. 목소리는 매우 복잡한 공기의 떨림입니다. 북을 둥둥 울려주는 경우를 생각하면 소리가 일종의 떨림이라는 것을 쉽게 이해할 수 있습니다. 북 가죽의 떨림이 공기를 울리고, 이것이 북소리로 들리게 되는 것처럼 목소리 역시 성대가 공기를 진동시켜 만드는 것입니다. 따라서 전화기를 만들려면 공기의 진동을 전류의 변화로 바꿔주는 방법을 찾으면 됩니다. 오늘날의 전화기는 소리를 전기신호로 바꾸는 부분(송화기)과 전기신호를 다시 소리로 바꾸는 부분(수화기)으로 구성돼 있습니다. 송화기 속에는 탄소입자가 많이 들어있는데, 말을 하면 공기의 진동이 탄소입자에 압력을 가하게 됩니다. 그런데 탄소입자의 전기저항이 가해지는 압력에 따라 변하기 때문에 송화기에 흐르는 전류도 목소리에 대응해 변합니다. 이렇게 목소리의 변화를 고스란히 담은 전기 신호가 전화선을 통해 전달되는 것입니다. 그리고 수화기는 일종의 스피커로서, 이 전기 신호를 다시 소리로 바꿔 줍니다. Q. 헬륨가스를 마시고 말을 하면 왜 소리가 바뀝니까? ..................................................................................................................................................................................................... A. 흔히 헬륨 ‘도날드 덕’(Donald Duck)효과라 불리는 이 현상의 원인을 알기 위해선 우선 목소리의 발생과정에 대해 알 필요가 있습니다. 목소리는 폐(肺)에서 나오는 공기가 목 아랫부분에 있는 성대 중앙을 통과한 다음 발성 통로를 지나 밖으로 나오면서 만들어집니다. 성대의 긴장으로 인해 공기압력이 변화되고 성대와 그 사이의 공기가 진동해서 소리가 다양하게 만들어지게 됩니다. 이때 소리 진동수가 목소리의 높낮이를 결정하는 것으로 이러한 과정을 통해 사람마다 각기 다른 목소리를 갖게 되는 것입니다. 평균 성인의 목소리는 남자의 경우 1백30㎐, 여자의 경우 2백5㎐의 진동수를 가지고있습니다. 목소리를 변화시킬 수 있는 또 하나의 요인은 입안에 있는 공기의 종류입니다. 사람이 말을 하게 되면 폐에서 나온 공기가 발성통로를 지나면서 발생되는 소리는 입안에서 공명을 하게 됩니다. 이 때 입안에서 울리는 소리의 속도는 입안에 있는 공기의 밀도에 따라 변하게 되고, 이에 따라 소리가 다른 진동수를 갖게 돼 목소리가 변하는 것입니다. 보통 공기의 경우 약29g/cm3으로 밀도가 공기보다 낮기 때문에 헬륨을 통과하는 소리의 속도는 음속의 3배정도인 8백91m/초가 됩니다. 그러므로 입안에 헬륨이 있는 상태에서 말을 하게 되는 경우 이 소리의 주파수는 보통 공기의 경우보다 2.7배정도 높게돼 이 때의 목소리는 평상시보다 2.7옥타브 높게 됩니다. 마치 도날드 덕의 목소리처럼 말이죠. 질문하신 헬륨․산소 복합기체는 약 68%의 헬륨을 지닌 것으로 이때의 목소리는 평상시보다 1.5옥타브 높게 들리게 됩니다. Q. TV, 라디오의 전파나 소리 같은 파동형태의 에너지가 벽과 같은 단단한 매질을 어떻게 뚫고 들어올 수 있습니까? ..................................................................................................................................................................................................... A. 질문에 답하기에 앞서 일단 소리와 전자기파는 서로 다른 형태의 파동이므로 서로 다른 설명방식이 필요하다는 사실을 알아야 합니다. 소리(음파)가 전달되기 위해서는 매질을 필요로 하지 않습니다. 그리고 같은 전자기파라도 주파수에 따라 파의 물리적 성질이 상당히 달라지기 때문에 모든 전자기파를 한가지로 설명하는 것은 어렵습니다. 소리의 경우, 일반 가정에서는 방이 완전히 밀폐돼 있지 않기 때문에 소리가 미세한 구멍들(예컨대 문틈)을 통해서 새나 갈 수 있습니다. 그러나 설사 완전히 밀폐된 공간을 인위적으로 만들어낸다고 하더라도 소리가 들릴 수 있는데, 이는 공기의 진동에 따라 벽이 아주 미세하게나마 진동을 하기 때문입니다. 그래서 아주 작기는 하지만 벽 너머에서도 소리를 들을 수 있습니다. 전자기파의 경우는 좀더 복잡합니다. 특히 실제로 벽을 쉽게 투과하는 전자기파들이 있는 반면, 어떤 전자기파들은 벽을 잘 통과하지 못합니다. 예컨대 전자기파의 일종인 감마선 같은 경우는 투과성이 대단히 강하지만, TV전파는 투과력이 없어 창문도 없고 완전히 밀폐된 공간에서는 TV가 잘 나오지 않습니다. 또한 전자기파가 벽을 얼마나 잘 투과할 수 있는지는 벽의 재질이나 두께 등 다양한 요인들에 의해 좌우됩니다. Q. 자석을 쪼개도 N극과 S극이 계속 나뉘어지는 이유는 무엇인가요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 자석을 쪼개면 쪼개진 파편 각각이 다시 N극과 S극을 갖는 자석이 됩니다. 이러한 현상은 파편의 크기가 점점 작아져도 마찬가지로 나타나는데, 그 근원적인 이유는 원자단위의 설명에서 찾아야 합니다. 즉 원자 하나 하나가 원자자석이며, 큰 자석은 이것들이 방향을 나란히 해 정렬하고 있는 것으로 볼 수 있습니다. 여기서 원자 하나 하나가 자석과 같이 기능 하는 이유는 원자 주위를 도는 전자의 자전(스핀)에 따라 자기모멘트가 생겨나기 때문입니다. 이를 이해하기 위해서는 코일을 따라 전류가 흐를 때 그것에 수직방향으로 자기력이 생겨나는 현상을 연상하면 됩니다. 전자의 자전, 즉 원운동은 일종의 원형전류라고 생각할 수 있습니다. 각각의 원자들이 가지고 있는 자기모멘트는 서로 상쇄돼 거시적인 차원에서는 자기력을 나타내지 않는 경우가 대부분입니다. 그러나 외부에서 자기장을 가하면 이들이 특정한 방향으로 배열돼 전체적인 자기력을 갖게 됩니다. 이를 자화(磁化)라고 하는데, 철족 원자들과 같은 경우에는 외부에서 가한 자기장을 제거하더라도 특정한 방향으로 배열됐던 경향이 남는 잔류자화 현상이 나타납니다. 이를 영구자석이라고 부릅니다. 이 영구자석은 앞서 이미 설명한 바와 같이 잘게 쪼개어도 여전히 N극과 S극을 갖는 자석이 되는 것입니다. Q. 수면에 평행하게 돌을 던지면 돌이 물 밑으로 바로 가라앉지 않고 수면 위를 통통 튀어가는데 그 이유를 물리적으로 설명해주세요. ..................................................................................................................................................................................................... A. 그런 현상이 일어나는 이유는 물의 표면장력때문입니다. 표면장력이란 서로 밀도가 다른 두 물질이 접해 있을 때, 그 중에서도 특히 기체와 액체가 접한 경우처럼 서로 상(牀)이 다른 두 물질이 접해 있을 때 나타나는 힘입니다. 이 현상을 설명하기 위해서는 먼저 미시적인 차원의 설명이 선행돼야 합니다. 액체 속에 있는 분자가 주위의 액체 분자들로부터 받는 힘을 평균하면 0이 되는데, 그 이유는 액체 속의 분자들의 배열이 임의적이고 분자들 상호간에 각각 서로 힘을 주고받기 때문입니다. 그러나 액체와 기체가 접한 경계면에 위치한 액체 분자들의 경우에는 사정이 달라서 한쪽 방향에서만 액체분자들은 액체 내부로 향하는 힘을 받습니다. 이 때문에 액체표면의 분자들은 표면적과 내부 에너지를 최소화하는 형태로 배열을 하게 됩니다. 물방울이 둥근 모양을 갖는 것과 액체와 기체간의 경계면이 넓을때는 그것이 평면을 이룬다든가 하는 것은 모두 이러한 표면장력의 효과입니다. 이제 이 현상을 거시적인 차원에서보면, 액체와 기체의 경계면에서는 마치 경계면에 수직방향으로 힘이 작용하는 것처럼 보임을 알수 있습니다. 즉 경계면이 최소면적을 갖고 있을 때 이를 변화시키기 위해서는 일정한 힘이나 에너지를 가해야하고, 바로 이 힘이나 에너지를 표면장력(단위는 N/m)혹은 표면 에너지(단위는 J/m2)라고 부릅니다. 소금쟁이 같은 작은 벌레가 물위에 떠있는 것, 가벼운 동전이 물 위에 떠 있는 것, 그리고 수면에 거의 평행하게 던져진 납작한 돌멩이가 가라앉지 않고 수면위를 튀어가는 것 등은 바로 이런 표면장력 때문에 나타나는 현상들입니다. Q. 어떤 유리를 보면 밖에서는 안이 보이지 않고 안에서만 밖이 보이는데, 그 이유는 무엇입니까? ..................................................................................................................................................................................................... A. 물체를 보는 것은 물체에서 반사된 빛이 우리 눈의 망막에 맺히고 이를 시신경과 대뇌가 인식하는 행위입니다. 우리가 일반 유리를 통해 밖을 볼 수 있는 것은 물체에서 반사된 빛이 유리를 투과해서 눈으로 들어오기 때문입니다.   그렇다면 유리를 통해 한쪽에서만 볼 수 있는 이유는 무엇일까요. 특정한 파장이 빛만을 투과하도록 유리를 만들면 됩니다. 거리의 카페에서 밖은 보이지만 안쪽은 보이지 않는 유리를 생각해봅시다. 가시광선은 통과하지 못하고 실내의 전등에서 나오는 빛이 잘 통과하는 유리를 설치한 경우입니다. 이때 밖에서 보는 사람은 유리를 통과하지 못하고 반사되는 가시광선에 의해 마치 거울처럼 자신의 모습만을 볼 수 있습니다. 그러나 안쪽에 있는 사람은 전등의 빛이 유리를 투과한 다음 밖의 물체에 반사된 후 다시 들어오는 빛을 통해 밖을 볼 수 있습니다 . Q. 수학여행 때 친구들과 시속 1백km이상 달리는 버스 안에서 노래를 부르며 뛰고 있었는데, 이때 왜 사람이 부딪히지 않고 그대로 따라가는 걸까요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 달리는 버스 안에 있는 모든 물체들은 버스의 물리적 운동(시속 1백km라는 거의 일정한 속도로 진행)을 공유하고 있습니다. 버스가 시속 1백km로 달리고 있다면, 정지해 있는 외부사람이 볼 때 타고 있는 사람 역시 시속 1백km로 계속 움직이고 있습니다. 만일 버스에서 사람이 펄쩍 뛰어올라 바닥으로부터 잠시 떨어졌다 해도 그 이전에 가지고 있었던 상태가 갑자기 달라지는 것은 아닙니다. 즉 시속 1백km로 운동하고 있는 물체는 외부에서 어떤 힘이 주어지지 않는 한 시속 1백km의 운동을 지속적으로 유지하려는 경향이 있습니다. 이것이 뉴튼의 제1법칙, 즉 관성의 법칙이 갖는 의미입니다. 이와 유사한 경우들이 주변에서 많이 발견됩니다. 예를 들어 사고로 추락하는 비행기에서 비행기가 땅에 충돌하기 직전(즉 2-3m정도 높이)사람이 지상으로 뛰어내려 탈출한다면 무사하지 않을까 생각하기 쉽습니다. 하지만 실제로 그런 일은 생길 수 없습니다. 고속으로 추락하는 비행기에 탑승하고 있는 사람은 그 비행기의낙하속도를 같이 공유하고 있기 때문에, 설사 비행기로부터 빠져나온다 해도 그 속도를 여전히 유지하려는 경향을 갖습니다. 결국 추락하는 비행기에 타고 있는 것과 마지막 순간에 탈출하는 것은 아무런 차이가 없는 셈입니다. 근육은 무중력상태에서 어색한 행동을 낳습니다. 예를 들어 손을 수평으로 내밀려고 해도 수평보다 위쪽으로 올라가곤 합니다. 이렇듯 신체의 중량이 없어진 상태에서의 운동은 지상에서의 운동보다 훨씬 적은 에너지를 소모하기 때문에 경제적일 것 같지만 사실은 여러 가지 문제를 일으킵니다. 즉 마치 침대에서 편안히 누워있는 상태가 계속되는 셈이기 때문에 근육이 위축되거나 뼈 속 칼슘이 감소하는 등 생리적 변화가 발생합니다. 또 혈액순환 기능이 떨어짐에 따라 혈압이 내려가고 뇌빈혈 상태가 발생해 심하면 실신에 이르기도 합니다. 이 같은 장애를 방지하기 위해 우주선과 같은 무중력 상태에서는 의식적으로 운동을 해야 합니다. 또 근육에 자극을 줄 수 있도록 멜빵을 옷에 착용해 에너지의 소비를 늘리는 방법이 강구되고 있습니다. Q. 공기 중에서는 소리가 잘 전달되는 반면 수중에서는 소리가 잘 전달되지 않는데, 그 원리는 무엇입니까? 또 이 원리를 이용해 방음벽(벽과 벽 사이에 물튜브를 채운다)을 설치하면 경제적일 것 같은데 어떻습까? ..................................................................................................................................................................................................... A. 질문에 약간 잘못 이해하신 부분이 섞여 있는 것 같습니다. 음파의 전달 속도는 공기 중에서보다 물 속에서 훨씬 더 빠릅니다. 공기 중에서 음파의 전달 속도가 3백40m/초 정도인데 반해 물 속에서는 1천4백80m/초 정도입니다. 음파의 전파 속도가 더 빠른 것은 당연한 일입니다. 잘못 이해하신 이유는 아마 인간이 물 속에서 인간이 소리를 내고 듣기 어렵다는 상식 때문인 듯합니다. 하지만 엄밀하게 말해 ‘음파’(sound wave)와 ‘소리’(sound)는 구분됩니다. 음파는 물체가 진동할 때 물체에 접촉한 공기 등의 매질이 진동을 받아서 생기는 일종의 파동입니다. 이에 비해 소리는 그 음파가 우리의 청각기관에 의해 포착된 형태입니다. 따라서 물 속에서 우리의 청각기관이 민감하게 반응하지 못한다는 것과 음파가 얼마나 빨리 전달되는가는 것은 구분돼야 합니다. 이런 관점에서 볼 때 물튜브를 삽입한 벽은 오히려 소리를 더 뚜렷하고 크게 전달하게 될것입니다. 방음 역할을 전혀 해내지 못한다는 말입니다. Q. 자석의 N극과 S극은 서로 분리되지 않는다고 합니다. 왜 그런가요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 자석에는 예외없이 자기력이 가장 강하게 작용하는 두 곳이 있습니다. 이를 자기극이라 하며 N극과 S극으로 구분합니다. 자석을 둘로 절단해도 각각의 부분들이 다시 N극과 S극을 지닙니다. 자석은 아무리 분할해도 항상 자성을 나타내는데, 계속 분할해 가면 결국 원자에까지 이르게됩니다. 이 때문에 자석의 N극과 S극은 서로 분리될 수 없습니다. 일반적으로 자석을 구성하고 있는 각 원자 하나 하나가 자성을 지닌 원자자석이라고 할 수 있습니다. 자석은 수많은 원자자석들이 서로 같은 방향으로 정렬해 있는 형태입니다. 미시적인 관점에서 보면, 원자가 자성을 띠는 이유는 주로 원자에 있는 전자의 회전(스핀) 때문입니다. 원형도선에 전류를 흘려주었을 때 도선의 위아래에 N극과 S극이 유도되는 원리를 생각하면 전자의 운동으로 자성이 생기는 것을 이해할 수 있습니다. 자석현상에 대한 완전한 이해는 원자이하의 미시세계를 서술하는 양자역학이 발전하면서 비로소 가능해졌습니다. Q. 1백℃사우나 속에 앉아 있는 것은 어렵지 않지만 1백℃의 철판 위나 물 속에서는 잠시도 견디지 못합니다. 같은 1백℃인데 왜 이런 차이가 있나요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 사람은 체온조절능력이 뛰어나 정온동물입니다. 주변의 온도가 체온보다 높으면 땀을 흘려 증발시키면서 열을 내보내 몸의 온도를 정상적으로 유지합니다. 사람의 몸은 70%이상이, 비열(물질 1g을 1℃높이는데 필요한 열량)이 큰물로 이루어져 있어서 체온이 쉽게 올라가지 않고 고온에서도 어느 정도 견딜 수 있습니다. 또한 공기는 금속이나 물보다 열 전달 속도가 느립니다. 사우나실 안의 공기는 피부에 닿더라도 급히 열을 전달하지 않기 때문에 피부에서 느끼는 온도는 실제보다 낮습니다. 몸 주위의 얇은 공기층이 온도가 낮은 상태로 피부를 보호하고 있는 셈입니다.   반면 철판은 열전도율이 매우 높습니다. 피부가 철판에 직접 닿으면 철판의 열이 곧바로 피부에 전달되므로, 철판의 온도가 사우나탕과 같더라도 매우 뜨겁게 느껴집니다. 사우나탕의 의자, 바닥, 벽을 나무로 만드는 것은 나무가 열전도율이 낮기 때문입니다. 또 물 속에서는 땀이 증발하지 못하기 때문에 증발에 의한 체온조절이 불가능합니다. 땀을 증발시켜 체온을 낮추지 못하므로 뜨거운 물 속에서는 체온이 올라가 견디기 어렵습니다. 또 물의 열전도율은 철판보다 낮지만 공기보다 훨씬 커서 물의 온도가 체온보다 조금만 높아도 견디기 어렵습니다. Q. 총을 쏠 때 총 쏘는 사람에게는 총소리가 별로 크게 들리지 않는데, 조금 떨어져 있는 사람에게는 귀가 멍멍할 정도로 크게 들립니다. 왜 그럴까요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 음원이 음속보다 빠른 속도로 움직일 때 충격파가 발생합니다. 이때 음원이 내보낸 파들이 쌓여서 그림과 같은 원뿔모양의 면이 형성됩니다. 즉 서로 다른 파의 접면을 따르는 마루들이 겹쳐 커다란 새로운 마루가 형성되는 것입니다. 이처럼 바깥쪽으로 퍼져나가는 에너지집중현상을 ‘충격파’라고 합니다. 이 충격파의 진행방향은 수직인 방향으로 표현합니다. 충격파의 대표적인 예로 초음속으로 진행하는 비행기를 들 수 있습니다. 이때 발생한 충격파는 벼락이 치는 듯한 폭음으로 들리기도 합니다. 심지어 충격파는 창문을 깨뜨리기도 합니다. 총을 쏠 때, 옆에 있는 사람이 큰 소리를 듣게 되는 것은 이 충격파 현상 때문입니다. 진행하는 총알이 초음속으로 진행하며 내는 소리가 충격파를 형성, 옆에 있는 사람은 귀가 멍멍해질 정도로 큰 소리를 듣게 되는 것입니다. 그러나 총을 쏜 사람은 음원(총알)진행방향의 반대편에 있습니다. 즉 충격파의 진행방향에 놓여 있지 않은 것입니다. 따라서 총을 쏜 사람은 충격파를 직접 전달받지 못해 소리가 별로 크게 들리지 않는 것입니다. Q. 밤에 불을 껐는데도 희미하게 주위가 보이는 이유는 무엇인가요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 우리는 눈에 들어온 빛의 자극에 의존해 주위 물체에 대한 정보를 얻습니다. 빛이 없다면 우리는 세계에 대해 어떤 ‘시각정보’도 얻을 수 없습니다. 빛이 완전히 차단된 공간에서 주위에 있는 물체를 ‘본다’고 말하는 사람은 마치 ‘천리안’을 가진 사람과 같다고 할 수 있습니다. 우리가 흔히 빛이라고 부르는 것은 전파, 적외선, 자외선, X선 등의 전자기파 중 하나인 가시광선입니다. 우리 눈은 이 가시광선만을 통해 주위에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 따라서 깜깜한데도 주위가 보이는 것은, 매우 약하긴 하지만 가시광선이 공간에 존재하고 이 가시광선이 물체에 반사되기 때문에 발생합니다. 예를 들어봅시다. 전체망원경의 성능을 가늠하는 지표로 ‘집광력’이란 것이 있습니다. 이는 렌즈가 빛을 모을 수 있는 능력으로, 대략 렌즈지름의 제곱에 비례합니다. 집광력이 높으면 당연히 더 어두운 별을 관측할 수 있습니다. 렌즈가 공간에 약하게 퍼져 있는 가시광선을 한 곳으로 모아주기 때문이지요. 따라서 집광력이 낮은 망원경에서 보이지 않던 별들이 집광력이 높은 망원경에서는 보입니다. 이제 우리 눈을 망원경에 빗대어 생각합시다. 우리 눈의 눈동자가 밝은 곳보다 어두운 곳에서 더 커진다는 것은 잘 알려져 있습니다. 이 현상은 바로 집광력을 높이기 위해 발생하는 것입니다. 갑자기 주위가 어두워진다고 합시다. 이때 눈동자가 주위 상황을 미처 따라가지 못하는 일이 발생합니다. 낮은 집광력을 갖는 작은 크기의 눈동자로 약한 빛이 존재하는 어두워진 주위를 보니 앞이 깜깜하게 보이는 것입니다. 그러나 차차 주위에 적응하며 눈동자가 커짐으로써 집광력이 높아집니다. 그러면 방금 전까지 보이지 않던 물체가 희미하게나마 보이게 됩니다. 물론 이때도 눈의 집광력으로 포착할 수 없는 물체는 보지 못할 것입니다. Q. 로켓은 작용과 반작용의 대표적 사례입니다. 로켓이 어떻게 해서 날아가는지 궁금합니다. ..................................................................................................................................................................................................... A. 로켓은 가장 단순하면서 강력한 열기관입니다. 로켓에는 한쪽이 열려있는 연소실이 있는데 여기서 연료가 됩니다. 이때 발생된 뜨거운 가스는 급격히 팽창해 빠른 속도로 분사됩니다. 가스가 분출되면서 연소실 밖으로 센 힘을 미치기 때문에 로켓은 작용․반작용의 원리에 따라 앞으로 날아갑니다. 로켓은 연소에 필요한 산소를 따로 싣고 있기 때문에 외부로부터 산소 공급을 받지 않고도 연료가 탈 수 있습니다.   대부분 우주선의로켓에는 고체연료가 사용됩니다. 고체연료는 큰 힘을 내지만 한번 타기 시작하면 끌 수 없기 때문에, 로켓은 연료가 다 탈 때까지 계속 날게 됩니다. 이에 비해 엔진을 단속적으로 가동시킬 필요가 있는 우주선에는 액체연료를 장착합니다. 고체연료와 달리 액체연료는 필요할 때 필요한 만큼 태울 수 있다는 장점을 갖습니다. 원료로는 액체수소와 액체 산소가 많이 사용됩니다. 한편 우주왕복선은 2개의 거대한 고체연료와 3개의 액체연료 로켓 등 5개의 연료장치를 장착하고 있습니다. 우주왕복선을 우주 공간으로 진입시킬 때는 5개가 모두 사용되며, 우주에서 궤도를 벗어나거나 항진할 때는 액체연료로 작동되는 로켓이 사용됩니다. Q. 1kg중이 왜 9.8N인지 궁금합니다. ..................................................................................................................................................................................................... A. N은 힘을 표시하는 단위입니다. 즉 1N이란 1kg의 질량을 가진 물체를 1m/초2의 가속도로 움직이게 하는데 필요한 힘입니다. kg중도 힘을 나타내는 단위인데, 특히 중력을 나타낼 때 사용됩니다.   뉴턴은 힘을 질량×가속도(f=ma)로 정의했습니다. 이 공식에 따르면 1N=1kg×1m/초2입니다.   1kg중도 이처럼 표현할 수 있습니다. 여기서 ‘중’은 중력가속도(9.8m/초2)를 의미하므로, 1kg중=1kg×9.8m/초2입니다. 따라서 1kg중=9.8N입니다. 하지만 지구의 모든 곳에서 1kg중이 정확하게 9.8은 아닙니다. 중력가속도를 9.8m/초2로 정한 것은 대략적인 값이며, 이 값은 지구에서 어떤 위치에 있느냐에 따라 다릅니다. 예를 들어 극지방에서 이 값은 적도지방보다 1천분의 5만큼 크기 때문에, 적도에서 작용하는 힘은 9.78m/초2인 반면 극 부군에서는 9.83m/초2입니다. 따라서 적도지방에서는 1kg중은 9.8N이고 극 부근에서는 9.83N입니다. Q. 가시광선이 어떤 물체를 비췄을 때 반사된 특정 색이 눈에 보이는데, 물체들의 ‘원래 색’은 없는 건가요? ..................................................................................................................................................................................................... A. 결론부터 얘기하면 없습니다. ‘색’이라는 현상 자체가 시각적인 것이므로 감각기관을 거치지 않은 ‘색’ 개념은 무의미한 것이지요. 물론 어떤 물체가 특별한 색으로 보이는 현상에는 다양한 미시적 메커니즘이 존재합니다. 예를 들어 물체 표면의 물리적 성질이나 무성물질의 분자구조상 어떤 특정한 파장의 빛을 더 발사하거나 흡수 할 수 있겠지요. 하지만 그 미시적 메커니즘 자체를 ‘색’이라고 부르지 않습니다. 그것은 ‘색’이라는 거시적인 현상을 만드는 메커니즘일 따름입니다. 따라서 우리 눈에 보이지 않는, 물체들의 ‘원래 색’이란 없습니다. 만일 있다면 이름으로 불리지 않겠지요. Q. 불을 보면 그 주위의 환경과 물체등이 떨리는 것처럼 보이는데, 그 이유가 궁금합니다. ..................................................................................................................................................................................................... A. 공기가 가열되면 부피가 팽창하고 밀도가 낮아져 불규칙적으로 위로 올라갑니다. 담배연기를 생각하면 쉽게 이해할 수 있죠. 한편 우리가 어떤 물체를 볼 수 있는 것은 물체에 반사돼 나오는 가시광선이 눈의 망막에 맺히기 때문입니다. 만일 공기를 통해 직진해 오던 빛이 불을 통과하면 불규칙하게 올라가는 공기와 그 속에 포함된 미세입자에 의해 빛은 굴절하게 됩니다. 따라서 가열된 공기의 움직임에 따라 물체의 상이 떨리는 것처럼 보입니다. 비슷한 예로 유리를 생각해봅시다. 많은 건물들에는 유리창이 있습니다. 만약 유리가 완전히 평면이고 두께가 균일하다면 창 밖의 물체들이 일그러져 보이지 않습니다. 그러나 평평하지 않거나 두께가 균일하지 못하면 물체가 일그러져 보입니다. 유리를 통과하는 빛이 곧바로 직진을 하지 않기 때문이지요. 결국 불 주변의 가열된 공기는 두께가 일정하지 않은 유리와 비슷한 역할을 하기 때문에 상이 떨리고 일그러져 보이는 것입니다.