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,…
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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…
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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…
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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.…
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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…
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스토리 2021.07.06

빛의 입자적 성질을 확실하게 보여준 ‘콤프턴 효과’란?

빛은 어디서나 쉽게 볼 수 있지만 정말 신비로운 존재다. 가장 신기한 성질 중에 하나는 빛이 파동일 수도 있고, 입자일 수도 있다는 사실이다. 널리 알려진 것처럼 빛은 이중성을 갖는다. 영국의 천재 과학자 아이작 뉴턴은 프리즘 실험의 결과를 통해 빛을 입자라고 단정 지었다. 하지만 뉴턴의 주장이 영 석연치 않았던 토머스 영은 아주 얇은 틈을 이용한 이중 슬릿 실험을 설계했고, 배치된 슬릿을 지나 스크린에 도달한 빛이 만들어낸 간섭무늬를 확인한 그는 빛을 입자가 아닌 파동이라고 확신했다. 드디어 빛과 관련된 논쟁에 종지부를 찍었다고 생각했지만, 여전히 우리 눈에 보이는 가시광선을 그저 파동이라고 했을 때 설명되지 않는 현상들이 남아있었다. ▲ 토머스 영의 이중 슬릿 실험 개념 파동설로는 설명되지 않는 빛의 현상 ‘광전효과’ 1887년 독일의 물리학자 하인리히 루돌프 헤르츠는 진공 상태에 놓인 금속판에 빛을 비추면 무언가 튀어나오는 현상을 발견했고, 그로부터 12년이 지난 후 영국의 물리학자 조지프 톰슨은 금속판에서 튀어나오는 정체불명의 존재가 전자라는 입자인 것을 밝혀냈다. 금속판 위에서 자유롭게 움직이는 전자에 전자기파인 빛을 쬐면, 전자가 탈출하기에 충분한 에너지를 받아 튀어나온다는 것이다. 빛은 특정한 진동수에 비례하는 에너지를 갖는 입자이기 때문에, 기본 단위인 광자는 전자와 부딪혀서 마치 당구대 위의 흰 공으로 노란 공을 치는 것처럼 전자를 튀어 나가게 만들 수 있다. 명확한 입자의 특성을 보여준 것이다. 아인슈타인은 ‘광전 효과’라 불리는 현상이 어떻게 일어나는지 규명한 덕분에 1922년 노벨물리학상을 수상했고, 이후 과학자들은 이러한 과정으로부터 확인한 입자성을 빛이 갖고…
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스토리 2021.06.25

[호기심 과학] 직접 만든 얼음보다 편의점 얼음이 더 천천히 녹는다? 더 단단하고 오래가는 얼음에 담긴 과학 원리!

본격적인 여름이 가까워지면서 얼음을 넣은 시원한 음료수를 찾기 시작하는 요즘이다. ‘음료수에 얼음을 넣으면 시원해진다’는 말을 과학적으로 표현하면 ‘얼음이 융해되면서 흡열반응이 일어나 음료수의 온도가 낮아진다’라고 할 수 있다. 열을 흡수하는 흡열반응을 하는 물질은 반응물보다 생성물의 에너지가 높아지게 되는데, 이때 주변의 열을 확~ 빼앗아서 달아나게 된다. 여러 가지 다양한 흡열반응 중 대표적인 것이 바로 ‘고체 → 액체 → 기체’로, 혹은 ‘고체 → 기체’로의 상태변화이다. 고체가 액체 또는 기체와 같이 상대적으로 운동이 활발한 상태로 변하려면 그만큼 에너지가 더 필요하다. 즉, 외부의 에너지를 흡수해 상태를 변화시키는 것인데, 고체 상태의 얼음이 물과 수증기가 되기 위해서 주변의 열 에너지를 흡수하는 것이 대표적인 예다. 따라서 이러한 물질의 상태 변화를 잘 이용하면 우리는 무더운 여름을 보다 시원하게 보낼 수 있다. ▲ ‘고체 → 액체 → 기체’, 또는 ‘고체 → 기체’로의 상태변화가 일어날 때 흡열반응이 나타난다. 대표적 흡열반응 ‘얼음과 소금’ 얼음 위에 소금을 뿌리면 원래 0℃인 얼음의 녹는점이 낮아지면서 소금과 접촉한 부분의 얼음이 살짝 녹기 시작한다. 이러한 현상을 ‘녹는점 내림’이라고 한다. 얼음이 물로 녹는 융해는 고체가 액체로 변하는 상태변화이기 때문에 분자들이 더 활발히 움직이기 위해 주변의 열을 빼앗아서 달아난다. 얼음에 소금을 뿌리면, 소금이 물에 녹으면서 주변의 열을 흡수하는 흡열반응을 한다(용해열:-3.9 KJ/mol, 25℃, 1기압). 얼음의 융해되는 흡열반응에 소금이 용해되는 흡열반응까지 더해지면 얼음만 있는 상태보다 더 낮은 온도를 유지할 수 있다. 얼음에 소금을 뿌린 상태에서 이론적으로는 영하 20℃ 정도까지 온도를 낮출 수 있는데, 실제로 실험해보면…
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스토리 2021.06.11

고층 빌딩들이 만드는 초강풍! ‘벤투리 효과’

여름이 오면 어김없이 찾아오는 반갑지 않은 손님이 있다. 바로 태풍이다. 지난해 늦여름, 부산 해안가는 ‘마이삭’과 ‘하이선’이라는 이름의 태풍이 연이어 강타하면서 많은 피해를 보았다. 해운대와 광안리 주변에 위치한 고층 아파트들 창문이 강한 바람에 의해 수십 장씩 깨지며 그 일대가 아수라장이 된 것이다. 당시 전문가들은 창문이 깨진 상황에 대해 직접적 원인은 태풍에 있지만, 또 다른 원인으로 고층 건물 주변에서 발생하는 ‘빌딩풍’을 지목한 바 있다. 빌딩풍이란 넓은 공간에서 불던 바람이 고층 빌딩 사이의 좁은 공간으로 들어오면서 속도가 더 빨라지는 현상을 가리킨다. 빌딩풍에 의한 피해가 비단 우리나라만의 일이 아니다 보니 전 세계의 많은 국가들이 오래전부터 피해를 줄이기 위해서 다양한 대처방안을 연구해 왔다. 바람이 부는 방향과 반대로 창문을 설계하거나 건물의 모서리를 부드러운 곡선으로 만드는 이유도 바람의 피해를 줄이기 위해서이다. 대표적인 건물로는 아랍에미리트 두바이의 부르즈 할리파나 우리나라 잠실 제2 롯데월드 같은 건물 모양이다. ▲왼쪽부터 두바이 부르즈 할리파, 잠실 제2 롯데월드 타워 빌딩풍의 발생 원인을 설명하는 물리적 현상에는 ‘벤투리 효과(Venturi Effect)’가 있다.  벤투리 효과는 이탈리아의 물리학자인 ‘지오반니 벤투리(Giovanni Venturi)’가 ‘베르누이의 정리’를 이용하여 해석한 물리 현상이다. 굵기가 다른 관에 유체를 통과시킬 때, 넓은 관보다 좁은 관에서 유체의 속도가 빨라지는 대신에 압력은 낮아지게 되는 현상을 가리킨다. 빌딩들이 많은 도심의 바람은 빌딩들의 좁은 간격을 통과하면서 더 빠른 속도와 낮은 압력을 가지게 된다. 그렇다면 벤투리 효과는 태풍 같은 강한 바람이 불 때만…
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스토리 2021.06.09

아름다운 곡선에 숨겨진 수학적 원리! ‘사이클로이드 곡선’이란?

동시에 100명의 게이머가 온라인으로 접속해 최후의 1인이 살아남을 때까지 전투를 벌이는 배틀그라운드라는 게임이 있다. 이 게임은 참가자 모두가 비행기에서 적절한 타이밍에 활강을 시작해 지상에 도착하면서 시작된다. 이 때 중요한 건 도착 지점의 위치인데, 어디에 낙하 하느냐에 따라 초반에 유리한 상황으로 게임을 이끌어나갈 수 있다. 그렇다면 결국 비슷한 위치에 수많은 참가자가 뛰어내리게 되는데, 아래 그림의 두 게이머 중 누가 먼저 지상에 도착할까? 사이클로이드 곡선이란? ▲ 사이클로이드 곡선 생성 원리 (출처: 위키피디아, Zorgit) 정답을 알려주기 전에 궁금한 건, 도대체 사이클로이드 곡선이 뭐길래 게임에서도 이렇게 활용이 되느냐 하는 것이다. 사이클로이드(cycloid)는 바퀴(wheel)라는 의미의 고대 그리스어(kuklos)에서 나온 말로 회전하는 바퀴 상의 한 점의 궤적을 표현한다. 원을 한 직선 위에서 굴렸을 때, 원 위의 한 점이 그리는 곡선의 자취가 바로 이 곡선이다. 자전거 바퀴의 옆면 어딘가에 점을 하나 찍고, 바퀴를 앞으로 굴리면 사이클로이드 곡선이 그려진다. ▲ 사이클로이드 곡선 강하 비교 실험 (출처: YTN 사이언스) 이 곡선은 최단 시간 강하 곡선으로, 말 그대로 가장 짧은 낙하 시간을 갖는 곡선이다. 이는 사이클로이드 곡선 위의 물체가 초반에 받는 중력가속도가 직선보다 크기 때문에 빠르게 낙하하게 되고, 기울기가 완만한 후반부에서는 관성에 따라 속도가 이어지기 때문이다. 따라서 앞에서 제기한 게임의 낙하 속도 문제의 정답도 사이클로이드 곡선을 타고 내려오는 아래의 게이머가 된다. 사이클로이드 곡선은 또 다른 특이한 성질도 있다. 바로 어떤 점에서 출발을 해도 가장 낮은 위치까지…
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스토리 2021.06.03

UFO 슛에 과학적인 비밀이 숨겨져 있다? ‘마그누스 효과’

축구를 좋아하는 팬이라면 지난 1997년 브라질의 ‘로베르토 카를로스(Roberto Carlos)’가 프레월드컵 개막전에서 찬 환상의 프리킥을 기억할 것이다. 당시 카를로스는 4명의 프랑스 수비수를 피해 오른쪽으로 직진하다 골문 앞에서 갑자기 방향이 바뀌는 기가 막힌 골로 득점을 기록했다. 당시 언론에서는 카를로스의 프리킥을 바나나킥의 하나로 분류했지만, 공의 궤적을 자세히 살펴보면 일반적인 바나나킥과는 달랐다. 너무나 각도가 예리했기 때문에 축구 팬들은 이 환상적인 프리킥에 ‘UFO 슛’이라는 별명을 붙여줬다. 축구 팬들에게는 마냥 신기한 슛으로 보였겠지만, 해당 장면을 본 과학자들은 카를로스의 프리킥에는 흥미로운 물리학적 법칙이 숨어 있음을 간파했다. 축구공이 엄청나게 휘어지며 날아가는 이유가 ‘마그누스 효과(Magnus Effect)’ 때문이라는 것을 파악한 것이다. 구기 종목 대부분에서 목격할 수 있는 마그누스 효과 마그누스 효과란 공기나 물과 같은 유체(流體) 속에서 물체가 회전하면서 특정 방향으로 운동하게 될 때, 물체가 그 이동속도의 수직 방향으로 힘을 받아 경로가 휘어지는 현상을 말한다. 마그누스 효과라는 명칭은 19세기 독일의 물리학자였던 ‘하인리히 마그누스(Heinrich Magnus)’가 발견했다 해서 붙여졌다. 그는 포탄이나 총알이 한쪽으로 휘는 이유에 대해 연구를 하다가 그 원인이 공기의 압력 차이 때문이라는 점을 밝혀낸 뒤 마그누스 효과에 대해 발표했다. 이후 마그누스 효과는 스포츠 시합을 할 때 볼 수 있는 놀라운 공의 궤적을 해석하는 데 주로 사용되고 있다. 앞에서 언급했던 축구 경기의 바나나킥이나 야구 경기에서 볼 수 있는 투수의 변화구 등이 마그누스 효과의 좋은 예이다. 가령 축구 경기에서 오른발잡이 선수가 발의 안쪽으로 공을 찼을 때, 오른쪽은 공기의 압력이 커지고 왼쪽은 작아지게 된다. 따라서 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 작용하며…
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