스토리 2021.11.25

로켓은 어떤 과학적 원리로 발사될까? 우리 일상에 숨은 작용·반작용의 법칙

지난 10월 21일 전남 고흥 나로우주센터에서는 모두가 숨을 죽이고 지켜보던 순간이 있었다. 바로 한국형 발사체 ‘누리호(KSLV-2)’가 우주를 향해 힘차게 솟아오르는 순간이었다. 제작, 시험 및 발사 운영까지 전 과정을 순수 우리 기술로 만든 최초의 우주 발사체인 누리호는 고도 700km에 성공적으로 도달하며 대한민국을 세계 7번째 실용위성 발사국으로 만들었다. 비록 최종 목표에는 도달하지 못했지만, 누리호는 앞으로 미래 우주 강국의 꿈을 실현시켜 줄 소중한 자산이 됐다. 12년에 걸친 연구, 37만 개의 부품과 300여 기업의 축적된 기술과 노하우로 만들어진 누리호에 적용된 핵심 과학 원리는 무엇일까? 바로 우리가 초등학교 때 용수철 저울을 잡아당기며 배웠던 뉴턴의 운동 법칙 중 제3법칙인 ‘작용·반작용의 법칙’이다. ▲ 한국형 발사체 누리호 발사의 순간! (출처: YTN news) 뉴턴의 제3운동 법칙, 작용·반작용의 법칙이란? ‘누리호(KSLV-2)’에는 한국형 우주발사체라는 수식어가 붙는다. 우주발사체란 우주인, 인공위성, 우주망원경, 우주정거장 등 다양한 탑재물을 싣고 우주로 발사되는 로켓(Rocket) 또는 로켓 발사 관련 플랫폼 및 발사 관련 기술 등을 총칭하는 말이다. 여기서 로켓은 우주 공간을 비행할 수 있는 비행체를 뜻하며, 뉴턴이 발견한 운동 법칙 중 제3법칙인 작용·반작용의 법칙을 기본 원리로 개발된다. 아이작 뉴턴이 누구인가. 사과나무 아래서 그 유명한 만유인력 법칙과 3가지 운동 법칙을 발견하며 근대 과학을 태동시킨 천재 과학자다. 뉴턴은 로켓 발사의 기본 원리가 되는 ‘작용·반작용의 법칙’을 무려 300여 년…
더보기
스토리 2021.11.19

빛을 원래 자리로 되돌려 보내는 현상, ‘재귀 반사’란?

야간이나 새벽에 작업을 하는 건설노동자나 환경미화원이 착용하는 안전 조끼에 불빛을 비추면 그 빛이 반사되어서 쉽게 알아본 적이 있을 것이다. 이것은 빛이 어느 방향에서 어떤 각도로 들어오더라도 빛을 광원의 방향으로 되돌려 보내는 재귀 반사 때문인데, 이처럼 재귀 반사란 광원에서 나온 빛이 어떤 사물에 닿은 뒤 원래의 자리로 다시 돌아가는 것을 일컫는다. 우주에 존재하는 물질 중에 가장 특이한 것을 하나 꼽자면 빛이다. 빛은 원자핵 주위를 돌고 있는 전자가 높은 에너지 상태에서 낮은 곳으로 이동할 때 만들어지며, 이렇게 미세한 변화의 과정에서 방출되는 빛을 통해 우리는 사물과 우주를 관측할 수 있다. 모든 빛은 진공에서 초속 30만 km로 움직이며, 매질이 없이 전파되는 전자기파다. 물리학에서 빛은 전자기파 자체를 포괄하는 개념이지만, 보통 빛이라고 하면 400nm에서 700nm 사이의 파장을 갖는 가시광선을 의미하기도 한다. 전자기파 전체와 비교해보면 가시광선이 차지하는 비중은 매우 작다. 하지만 우리는 가시광선 파장대의 빛을 볼 수 있도록 진화했기 때문에, 눈에 보이는 빛은 가시광선이 유일하다. 빛은 투과(Transmission), 반사(Reflection), 흡수(Absorption)라는 세 가지 중요한 성질을 갖는다. 투과는 말 그대로 빛이 어떤 물체에 도달했을 때, 물체를 통과해서 완전히 벗어나는 것을 의미한다. 반사는 빛이 물체의 표면을 통과하지 못하고 다른 방향으로 튕겨 나가는 것이며, 흡수는 물체의 표면을 통과한 상태에서 결국 물체 자체를…
더보기
스토리 2021.11.12

[호기심 과학] 저농도에서 고농도로 이동한다! 계란으로 알아보는 삼투현상

당도가 높은 달달한 사탕을 먹어본 경험을 떠올려보자. 한참을 입안에 넣고 있다 보면 혀의 감각이 약간 무뎌지고 거칠게 느껴졌다는 사실도 기억이 날 법 하다. 바로 오늘 다룰 주제인 ‘삼투현상’의 사례다. 혀 안의 수분이 고농도의 사탕액과 만나 혀 바깥으로 빠져나가버려, 혀가 거칠게 느껴진 것이기 때문이다. 반투과성 막이 있을 때 물이 저농도에서 고농도로 거꾸로 흐르는 듯한 독특한 현상인 ‘삼투현상’이란 무엇일까? ‘삼투현상’은 평형의 원리! ‘삼투’는 사전적으로 ‘스며들어 투과한다’는 뜻으로, ‘삼투현상’이란 ‘반투과성 막’을 경계로 농도가 ‘낮은’ 용액에서 농도가 ‘높은’ 용액으로 물이 이동하는 현상이다. 저농도에서 고농도로 물이 이동한다는 것이 오히려 거꾸로 가는 현상처럼 쉽게 이해가 가지 않을 수 있다. 만약 소금의 농도가 높은 물과 농도가 낮은 물을 섞으면 농도가 높은 물이 전체적으로 퍼지면서 평균적인 농도를 만드는 것이 당연하지 않은가? 맞다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러 높이가 같아지고, 뜨거운 열이 차가운 열과 만나면 열 평형을 이루듯이, 평형의 원리를 따르는 이 현상을 우리는 ‘확산’이라고 부른다. ▲ 반투과성막인 셀로판지를 장착한 삼투현상 장치 하지만 삼투현상도 역설적으로 평형의 원리 때문에 발생한다. 위 사진과 같이 농도가 다른 액체를 서로 만나게 하되, 중간에 일부 입자만 투과가 가능한 반투과성 막을 설치해 보았다. 앞서 얘기한 것 처럼 농도를 같게 만들려는 물질의 ‘확산’의 원리에 의해 진한 설탕물은 저농도의 물로 가려고 하는 성질이 나타난다. 그런데 설탕물 가운데 설탕 입자는 크기가 커서 셀로판지(반투과성 막)를 통과하지 못하는 안타까운 일이 발생한다. 설탕이 빠져나가야 농도 평형이…
더보기
스토리 2021.10.12

뇌가 기억하는 이미지, ‘잔상효과’를 이용한 다양한 기술들

‘기억’이란 참 제멋대로다. 때때로 뇌는 과거의 괴롭고 힘들었던 기억을 숨기고 마치 그 시절이 아름다웠던 것처럼 추억하게 만든다. 어떤 기억은 가끔 왜곡되어 남기도 하는데, 한 공간에서 같은 일을 경험했더라도 나와 다른 사람의 기억이 서로 다른 것도 이 때문이다. ‘시각 잔상효과(Persistence of vision, POV)’도 마찬가지다. 우리의 뇌는 눈의 망막을 통해 이미지를 전달받으면 사물이 시야에서 사라져도 뇌에 그 이미지(잔상)를 남긴다. 사물은 이미 눈앞에서 사라졌지만 여전히 존재하는 것처럼 기억하는 것이다. 실제로는 없지만 있는 것처럼 잠시 느끼는 착시현상이 바로 ‘시각 잔상효과’이다. 강한 빛이나 색상을 접했을 때 이러한 현상은 더 두드러지는데 의사의 수술복이 초록색인 것도 잔상효과 때문이다. 강한 조명 아래서 붉은 피를 보다가 흰 의사 가운을 보면 초록색의 잔상이 남는다. 이러한 잔상은 시야를 혼동시키고 집중력을 떨어뜨리기 때문에 초록색 수술복은 이같은 잔상효과를 최소화하는 역할을 한다. 최근에는 잔상효과를 이용한 다양한 기술들이 등장해 새로움을 주고 있다. 잔상효과를 효과적으로 구현한 시각 장치, ‘조트로프’ 수술복을 예시로 든 것처럼 잔상효과는 색이나 빛에 의해서도 일어나지만, 연속 동작의 이미지를 마치 움직이는 것처럼 보이게도 한다. 애니메이션과 영화는 방금 전 본 이미지를 뇌가 기억하고 있다가 연이어 보이는 이미지에 겹쳐 보이는 시각의 잔상효과를 이용해 탄생한 ‘발명품’이다. 영화나 애니메이션은 1초에 24장의 이미지를 연속적으로 재생함으로써 마치 이미지가 움직이는 것처럼 보이게 한다. 이러한 영화와 애니메이션의 탄생은 1834년 수학자 윌리엄 조지 호너가 만든 ‘조트로프(zoetrope)’에서부터 시작됐다. ▲ 잔상효과를 이용해 그림이 움직이는…
더보기
스토리 2021.09.29

[호기심 과학] 지구에서 살아갈 수 이유는 기압 덕분이다? 느끼지 못해도 강력하다! 실험으로 확인한 기압의 힘!

내년부터 순수 민간 관광객이 다녀올 수 있는 우주 관광의 길이 열린다는 보도를 접했다. 대기권밖으로 나가 지구와 우주를 볼 수 있다니 상상만으로도 짜릿하다. ‘대기권’의 정확한 정의는 ‘지구를 둘러싸고 있는 공기의 층’으로 이 대기권의 높이는 해수면을 기준으로 약 1,000km 정도가 된다. 물론, 희박하게나마 공기가 약 1,000km까지 존재하는 것이고, 사실 75%의 공기는 지표에서 15km 높이까지의 공간에 머물러 있다. 우리는 공기의 무게가 바람에 날리는 깃털보다도 더 가벼운 것처럼 생각하는 경향이 있다. 하지만 이것은 우리가 지구를 떠나 보지 않아서 지구의 공기가 사실은 우리를 엄청나게 큰 압력으로 누르고 있다는 점을 느끼지 못할 뿐이다. 사실 우리는 공기로 가득 찬 바다에서 헤엄치듯 지내고 있다고 볼 수 있다. 그러면 도대체 얼마나 큰 기압이 우리를 누르고 있는지 독자 여러분들께서 실감하실 수 있도록 어마어마한 기압의 힘에 대해 알려드리도록 하겠다. 1643년, 수은을 이용해 최초로 기압 측정을 한 토리첼리 높이 올라갈수록 우리를 누르는 지구 대기압은 감소하게 된다. 1기압은 지구 해수면 근처에서 측정한 대기압이 기준이므로, 정말 해발고도가 높은 고원지대에 살거나 혹은 아주 높은 산으로 올라가는 경우를 제외하면 대부분의 경우 약 1기압의 대기압이 우리를 누르고 있다. 그러면 과연 1기압은 어느 정도의 압력일까? 이 궁금함을 해결해 준 과학자는 갈릴레오 갈릴레이의 제자였던 에반젤리스타 토리첼리이다. ▲ 에반젤리스타 토리첼리의 초상화 토리첼리는 1643년 수은을 이용해 최초로 대기압을 측정했는데, 378년 전 실험인 것을 생각하면 발상이 참으로 기발했다. 그는 수은을 가득 채운 유리관을 수은을…
더보기
스토리 2021.09.17

와인이 눈물을 흘리는 이유? ‘마랑고니 효과’

체질적으로 알코올이 안 맞는지라 술을 거의 먹지 못하는 내가 1년에 한번 와인을 먹는 날이 있다. 그 날은 여름 휴가의 첫날밤에 온 가족이 서로 격려하며 행복한 휴가를 즐기자는 의미로 갖는 연중행사인데 아이들 은 먹지도 못하는 와인을 자기 잔에 받아서 영화에서 보던 것처럼 와인잔을 돌리며 온갖 포즈를 잡아보느라 신이 나는 시간이다. 어차피 와인 맛도 모르고 다 먹지도 못하니까 손에 잡히는 와인을 아무거나 샀었는데 올해는 무슨 바람이 불었는지 와인 샵 직원에게 추천을 받아 좀 괜찮다는 레드와인을 준비했고 문제는 거기 서 시작되었다. 대충 집었던 예전의 와인들과는 다르게 올해의 레드와인은 아이들이 와인잔을 돌리면 와인잔 안쪽에 자국이 생겼다. 아이들이 “이게 뭐야?” 라고 신기해하는 그 순간 직업병이 발동하였다. “그건 마랑고니 효과의 한 예인데 와인의 눈물이라고 하는 현상이야” 라고 말하는 순간, 나를 향하는 짜증의 눈빛들… 또 TMI 시작이라며 무언의 구박이 시작되길래 얼른 사과하고 분위기 수습하느라 애를 먹었다. 마랑고니 효과란? 마랑고니 효과란 표면장력(액체의 표면이 스스로 수축하여 가능한 한 작은 면적을 취하려는 힘)의 변화에 따라 액체가 표면장력이 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동하는 효과를 말한다. 그리고 이 표면 장력의 변화는 액체의 농도나 온도 등에 따라 다양하게 나타난다. 이탈리아 파비아 대학의 카를로 마랑고니(Carlo Marangoni)가 1865년 박사학위 논문에 와인의 눈물 현상을 물리적으로 설명한 이후 마랑고니 효과라고 불리게 되었으나 사실 이 현상을 먼저 언급한 건 삼중점(기체, 액체,…
더보기
스토리 2021.09.02

[호기심 과학] 맛있는 김치의 비결은 밀도에 있다?! 생활 속 밀도 이야기

“단위 부피에 대한 질량값 ‘밀도'” 과학에서 말하는 밀도의 정의다. 일상 생활 속 대화에서 ‘밀도’라는 말을 쓰는 일이 흔치는 않지만, 실제 우리의 삶과 가까이서 벌어지는 많은 일들은 밀도와 밀접한 관련이 있다. 오늘은 생활 속 다양한 현상으로 나타나는 밀도에 대한 이야기를 풀어보고자 한다. 나무는 물보다 ‘가볍다’가 아니라 ‘밀도가 작다’ 뭔가가 물에 뜨면 보통은 그냥 물보다 가볍다고 표현하는 경우가 많은데, 가볍다 혹은 무겁다는 것은 단순히 질량 혹은 무게만 비교하는 것이므로 정확하지 않은 표현이다. 나무의 양이 많고 물의 양이 적은 경우라면, 가볍다고 표현했던 나무가 오히려 무게가 더 많이 나갈 수 있는 것이다. 따라서 같은 부피라는 전제가 필요하다. 같은 부피일 때의 질량, 즉 단위 부피에 대한 질량 값이 바로 ‘밀도’다. 그러므로 나무가 물보다 ‘가벼워서’가 아니라, 나무가 물보다 ‘밀도가 작아서’ 물에 뜬다고 하는 것이 과학적으로 정확한 표현이다. 밀도는 용해도, 녹는점(=어는점), 끓는점 등과 더불어 대표적인 물질의 특성 중 하나다. 물질마다 고유한 값을 지니기에 물질의 특성이 될 수 있는 것이다. 대부분의 물질들은 기체 상태에서 입자들이 가장 멀리멀리 떨어져 있고, 액체와 고체가 되면 아주 가까워진다. 그러다 보니 밀도는 일반적으로 기체 상태에서 가장 작고, 액체, 고체 순으로 커지게 된다. 밀도가 작은 빈 페트병이 구명 튜브가 될 수 있다! 여름철에는 종종 안타까운 물놀이 사고 소식이 전해지는데, 구명 튜브 같은 것도 준비되지 않은 급박한 상황이다 보면, 직접 헤엄쳐 구하려다가 자칫 구하러 간 사람까지 위험해지기도 한다. 소방방재청에서는 물놀이 사고를 목격했을 때 주변에 마땅한 구조장비가 없을 때에는 뚜껑을 막은 빈 페트병이 유용한 장비가 될 수 있다고 소개했다. 공기가 들어 있는 빈 페트병은 물보다 밀도가 작기 때문에 물 위에 뜰 수 있어 물에 빠진 사람에게 일종의 작은 구명 튜브의 역할을 할 수가 있는 것이다. 빈 페트병을 구명 튜브로 사용하는데도 요령이 있다. 물놀이 사고가 났을 때 뚜껑을 막아 공기로만 가득 차 있는 빈 페트병을 던져주면 바람의 영향을 받아 물에 빠진 사람에게 닿기 어려울 수 있다. 이럴 때 물을 1/3 정도만 채워서 던져주면 바람의 영향을 훨씬 덜 받게 된다. 밀도가 너무 작은 공기 대신 밀도가 훨씬 더 큰 물을 어느 정도 채워서 페트병 전체의 밀도를 높이는 것이다.  ▲ 빈 페트병을 잘 이용하면 밀도가 작기 때문에 물 위에 뜨는 구명 튜브가 될 수 있다. 어머니의 맛있는 김치는 밀도를 정확히 측정한 덕분! 음식을 만들 때도 밀도를 이용할 수 있다. 필자의 어머니께서 정말 맛있는 김치를 담근다. 너무 짜지도 싱겁지도 않은, 간이 딱 맞는 김치를 담그는 비법이 있는데, 배추를 절이기 위한 소금물의 농도를 맞추기 위해 달걀을 이용하시는 것이다. 따뜻한 물에 신선한 달걀을 넣고, 달걀이 살짝 뜨는 정도까지 소금을 넣으면 배추를 절이기에 알맞은 농도의 소금물을 만들 수 있다. 달걀이 뜨는 것과 김치 맛이 무슨 상관? 이라고 생각할 수 있으나, 이는 달걀이 떠 있는 정도를 통해 소금물의 농도를 측정하는 과학적인 방법이다. 이때 달걀은 바로 비중계의 역할을 하게 되는 것이다. 여기서 “갑자기 밀도계가 아니라 비중계가 왜 튀어나와?” 라고 생각하지는 독자가 계실지도 모르겠다. 과학 교과서에서는 항상 ‘밀도’를 얘기하지만, 사회에서는 ‘비중’이라는 표현을 많이 쓴다. ‘비중’은 같은 부피를 가진 표준물질과 비교한 질량을 말한다. 표준물질로 고체나 액체의 경우 1기압 상태에서 4℃의 ‘물‘을 기준값 1로 하는데, 물의 밀도가 1이니까 결국 비중은 소수점 이하 다섯째 자리까지 밀도와 같은 값을 가지므로 일상에서는 별 차이가 없다. 물론, 과학 분야에서는 항상 정확한 용어를 사용하는 것이 매우 중요하므로, 그 정의는 차이가 있다는 것 정도만 알아두자. ▲ 간이 딱 맞는 김치의 비법은 비중계의 역할을 하는 달걀!!! 신선한 달걀이 살짝 뜨는 정도까지 소금을 넣으면 염도가 딱 맞다. 농도가 높을수록, 즉 더욱 진할수록 밀도도 커진다. 소금과 물을 섞으면 질량은 이 둘을 더한 것만큼 증가하지만, 부피는 오히려 살짝 줄어든다. 소금이 이온화하여 생긴 염화이온과 나트륨이온이 물 분자 사이사이로 끼여 들어가기 때문에 부피가 줄어드는 것이다. 밀도는 부피와 반비례하므로 소금물의 밀도는 물의 밀도보다 크다. 소금을 많이 녹이면 녹일수록 질량과 부피의 상대적 차이가 점점 벌어지므로, 결국 소금물의 농도가 증가할수록, 즉, 염도가 높을수록 밀도가 더욱 커진다. 소금물에 달걀을 넣고 실험을 하면 이를 눈으로 확인할 수 있다. 소금 즉, 염화나트륨의 용해도가 그렇게 큰 편이 아니기 때문에 달걀이 중간 정도 떠오르게는 할 수 있지만, 완전히 떠오르게 하기는 어렵다. 달걀을 완전히 떠오르게 하기 위해서는 더 용해도가 큰 물질인 염화칼슘을 이용하면 된다. 아무리 더 저어주어도 더 이상 소금이 녹아 들어 가지 않는 상태에서도 염화칼슘은 물에 아주 잘 녹아 들어가는 것을 관찰 할 수 있다. ▲ 비중계 : 아랫부분에 고체 알갱이를 넣어 액체에 넣었을 때 적절히 떠 있게 한다. 이 때 액체의 비중을 직접 눈금으로 표시해주는 진짜 비중계를 이용하면 그 수치를 정확히 알 수 있다. 달걀이 완전히 떠오른 상태인 [염화나트륨 + 염화칼슘] 수용액의 비중은 약 ‘1.1’ 정도 되는 것을 비중계를 이용한 측정을 통해 확인할 수 있었다. 비중계를 이용하면, 농도가 진해질수록 용액의 밀도가 커지고, 비중계 자체가 점점 떠오르면서 비중계에 나타나는 수치가 점점 커지게 되는 것 또한 관찰 할 수 있다. ▲ 신선한 달걀은 밀도가 1g/㎤인 물보다 커서 아래로 가라앉는다. (순수한 물의 비중은 딱 ‘1.0’이다 .) ▲ 소금에 염화칼슘을 더하여 용해시키면 밀도가 커지면서 왼쪽 비커와 같이 달걀이 완전히 떠오르게 된다. (용액의 농도가 증가하면서 비중계가 더욱 떠오르게 되고, 값이 1.11로 증가하였다.) 얼음이 물 위에 뜨는 건 일반적인 현상이 아니다! 여름에는 시원한 얼음물을 찾는 것이 인지상정. 이때 우리는 항상 물 위에 얼음이 떠 있는 것을 본다.  늘 보는 익숙한 현상이다 보니, 같은 물질로 이루어진 고체가 액체 위에 떠 있는 현상이 사실은 일반적이지 않다는 사실을 전혀 느끼지 못하고 있다. 대부분의 물질은 액체 상태에서 고체일 때에 비해 입자들이 조금 더 자유롭게 움직이고 입자 간 거리가 약간 더 멀기 때문에, 같은 질량의 액체 상태가 부피가 약간 더 크다. 밀도는 부피와 반비례하므로, 밀도는 고체 상태일 때가 더 크다. 즉 고체가 액체 속에 가라앉게 되는 것이다. 하지만 물은 고체 상태가 될 때 물 분자들 사이에 수소결합을 형성하면서 육각형의 공간이 생기기 때문에 오히려 부피가 약 10% 정도 증가하게 된다. 그 결과 밀도는 더 감소하면서 상대적으로 밀도가 큰 물 위에 얼음이 뜨게 되는 독특한 현상이 나타나는 것이다. 필자는 오래전에 벤젠(C6H6)의 일부가 얼어서 고체 상태의 벤젠이 액체 벤젠 속에 가라앉아 있는 것을 관찰한 적이 있었다. 벤젠의 어는점이 5.5℃밖에 안 되기 때문에 물에 비해서는 더 쉽게 얼게 되는데, 고체 상태의 벤젠이 더 밀도가 크기 때문에 아래로 가라앉는 것이다. 사실 대부분의 물질은 고체가 되면서 밀도가 커지기 때문에 벤젠처럼 고체가 액체 속에 가라앉아 있는 것이 일반적인 현상이다. 그런데, 지구상에서 가장 흔한 액체가 물이고, 또 늘 얼음이 물 위에 떠 있는 것을 보다 보니 고체가 가라앉아 있는 것이 오히려 생소하고 신기하기까지 했다. ▲ 밀도가 큰 고체 상태인 벤젠이 상대적으로 밀도가 작은 액체 벤젠 속에 가라앉아 있다. 얼음이 물보다 밀도가 작기에 물고기는 겨울에도 살 수 있다. 액체 상태인 물보다 고체 상태인 얼음이 밀도가 더 작다는 특성은 자연계에 아주 큰 영향을 미친다. 만약 물이 벤젠처럼 고체 상태의 밀도가 액체보다 더 크다면 겨울철에 찬 대기와 접촉하는 호수 표면의 물이 얼어서 가라앉게 될 것이다. 그러면 호수의 물은 바닥부터 얼음이 쌓여, 결국은 표면까지 호수 전체가 얼어버리게 된다. 호수의 물속 물고기도 모두 얼어 죽을 수밖에 없는 참담한 사태를 초래하게 될 것이다.  다행히 얼음의 밀도가 물보다 작기 덕분에 호수의 물은 표면부터 얼어, 추운 겨울철에도 호수 아래에서는 물고기들이 물 속에서 지내며 겨울을 날 수 있는 것이다. ▲ 액체 상태인 물보다 고체 상태인 얼음이 밀도가 더 작기에 추운 겨울철에도 호수의 물속 물고기는 얼어 죽지 않고 겨울을 날 수 있다. 밀도가 다르고 서로 섞이지 않는 액체들로 만든 멋진 장식품들! 물은 극성, 벤젠은 무극성 물질이므로, 성질이 완전히 달라 서로 섞이지 않는 화합물이다. 둘을 한 비커에 따르면 마치 물과 기름처럼 섞이지 않고 밀도가 작은 벤젠이 위층을 이루게 된다. 이렇게 서로 섞이지 않는 액체들을 이용해 만든 멋진 장식품들도 있다. 뒤집으면 마치 모래시계처럼 좁은 구멍을 통해 밀도가 큰 액체가 빠져나오면서 멋진 모습을 연출한다. 또한 필자가 가진 이런 종류의 장식품 중에는 역시 두 가지 액체가 들어 있고, 그 사이에 플라스틱 오리가 떠 있는 모양의 것도 있다. 플라스틱 오리가 이 두 가지 액체의 밀도 값의 중간쯤 되도록 조절된 장식품인 것이다. ▲ 밀도가 다르고 서로 섞이지 않는 액체로 만든 장식품 이 밖에도 밀도가 다른 에탄올을 사용해 여러 층으로 구성된 예쁜 칵테일을…
더보기
스토리 2021.08.11

유체역학 분야의 혁신적인 발견, ‘코안다 효과’란?

루마니아의 수도인 부쿠레슈티 북쪽으로 가면 헨리 코안다 국제공항이 있다. 원래 도시의 이름을 따서 오토페니 국제공항으로 불렸으나 유체역학의 선구자로 불리는 ‘헨리 코안다(Henri Coandă)’의 이름을 따서 명칭을 변경했다. 보통 사람의 이름을 주요 시설에 활용하는 경우는 생전에 남긴 위대한 업적을 기리기 위한 것인데, 헨리 코안다는 유체역학 분야에서 활용도가 굉장히 높은 코안다 효과(Coandă effect)를 발견했기에 충분히 자격이 있다. 유체역학은 액체와 기체 등 유체의 운동에 대해 연구하는 학문인데, 항공기나 선박과 같은 운송수단뿐만 아니라 펌프나 팬, 배관 등 생활 속에서 찾아볼 수 있는 수많은 기계나 장비들에 응용되는 중요한 분야다. 이미 인류는 비행기의 날개라든지 잠수함에 유체역학을 충분히 활용하고 있지만, 워낙 해석하기 어려워 유체역학은 여전히 가장 난해한 학문으로 평가를 받고 있기도 하다. 이렇게 쉽지 않은 유체역학 분야에서 혁신적인 발견을 통해 인류를 한 차례 도약시킨 코안다 효과란 무엇일까? 코안다 효과는 간단하게 말해서, 유체가 곡면과 접촉한 상태로 흐를 때, 직선으로 흐르는 대신 곡면의 곡률을 따라서 흐르는 현상을 말한다. 이 효과는 다른 과학적 실험과 달리 매우 간단하게 시연을 해볼 수가 있는데, 우선 싱크대로 가보자. 빠르게 흘러내리는 싱크대의 물줄기에 가느다란 실이 달린 둥근 공을 가져다 대면, 당초 공을 물줄기가 밀어내어야 정상인데 오히려 물줄기가 공을 당겨서 공은 물줄기 쪽으로 달라붙게 된다. 이 경우는…
더보기
스토리 2021.08.10

[호기심 과학] 지나치게 시원한 액체 질소! -196℃! 극저온의 세상은?

연일 폭염에 시달리다 보니 더위에 지쳐 뭔가 자꾸 시원한 것을 찾게 된다. 그래서 이번 칼럼에서는 아주 심하게, 지나치게 시원한 극저온의 세계로 독자 여러분들을 초대하도록 하겠다. 오늘의 주인공은 액체 질소! 보글보글 끓고 있는 데다 주변에 김까지 서리는 액체 질소를 보고 있으면 뜨거울 것이라고 착각하기도 한다. 우리가 지구상에서 가장 흔하게 보는 액체는 바로 ‘물’이고, 물이 끓는 온도는 100℃이므로, 역시나 투명한 액체인 질소가 끓는 것을 보면서 이것도 역시 뜨거울 것이라고 예상하게 되는 것이다. 하지만 질소가 액체에서 기체 상태로 변하는 온도인 끓는점은 -195.79°C!!! 그러니 액체 질소는 약 -196℃ 이하의 온도를 유지하고 있다. 만약 사물이 액체 질소와 만난다면 어떤 일들이 벌어질까? 상상할 수 없는 극저온의 액체 질소 세상이 지금부터 펼쳐지게 될 테니 기대하시라~ 강력한 흡열반응으로 생기는 -196℃의 극저온 ▲ -78.5℃에서 승화하는 드라이아이스, 드라이아이스 속에 온도계를 넣으면 -75℃ 이하로 온도가 낮아지는 것을 확인 할 수 있다. 필자는 지난 칼럼을 통해 [얼음+소금], 그리고 [드라이아이스+에탄올]의 조합으로 냉장고 없이 온도를 낮출 수 있는 반응에 대해서 소개한 적이 있다. 얼음이나 드라이아이스가 주변의 열을 흡수하는 ‘흡열반응’을 이용해 각각 약 -10℃, 약 -75℃ 이하로 온도를 낮출 수 있는 방법이다. 만약 이보다 더 낮은 온도에서 실험해야 하는 상황이 필요하다면 [액체 질소]를 활용하면 된다.…
더보기
스토리 2021.07.09

물체에 빛이 닿으면 소리가 난다? ‘광음향 효과’

밤이 지나고 해가 뜨면 나무와 풀들이 햇빛을 받으며 재잘거리는 소리를 냅니다. 이렇게 식물들이 빛을 받으면 소리를 내는 건 비유가 아니라 실제 상황입니다. 광합성을 하면서 소리를 내는 거죠. 식물은 세포 속 엽록체에서 광합성을 합니다. 엽록체 안에는 광합성 반응중심(Photosynthesis reaction center)이라는 부분이 있습니다. 센터 주변의 색소가 빛을 흡수해 에너지를 광합성 반응 중심으로 전달합니다. 이 에너지에 의해 반응중심의 전자가 튀어 나갑니다. 이렇게 튀어 나간 전자가 여러 곳을 다니며 자신이 가진 에너지를 조금씩 나눠주는 것으로부터 광합성이 시작되지요. 그런데 이 과정에서 아주 약하나마 전기장이 생성되고 또 변하게 됩니다. 이런 전기장의 생성과 변화는 주변 분자들의 구조를 바꾸고 부피도 변화시킵니다. 이 부피의 변화가 아주 작지만 음파를 만듭니다. 마치 우리가 캔을 꽉 쥐어 쪼그라트리면 소리가 나는 것과 같은 원리입니다. 광합성 과정은 또 다른 방법으로도 소리를 만듭니다. 광합성을 하며 식물은 물을 분해해 산소를 만들지요. 세포 내부의 산소는 압력을 변화시키고 이에 따라 또 소리가 납니다. 이 소리 또한 우리 귀에 들리지 않을 만큼 작지만 앞서 전기장에 의해 발생하는 소리보다는 조금 더 큽니다. 북을 두드릴 때 소리가 나는 것과 유사한 원리이지요. 빛을 받으면 소리가 나는 광음향 효과 한편 식물만이 아니라 온갖 종류의 물질들도 빛을 받으면 소리를 냅니다. 우리 몸에도 이런 물질이 있는데 적혈구의 주성분, 산소를 운반하는 헤모글로빈이 그렇습니다. 이들이 소리를 내는 원리는 조금 다릅니다. 광열효과photothermal effect라는 것이죠. 빛은 일종의 에너지로…
더보기