물리의 구조 저자 카와무라 야스후미 출판 시그마북스 발매 2021.05.06.왜 지하철에서 뛰어도 뒤로 밀리지 않을까?관성의 법칙에 의해서 사람과 전차가 같은 속도로 운동하기 때문이다.전차가 쭉 뻗은 선로 위에서 계속 같은 속도로 운동하고 있다고 보면 이를 등속 직선 운동”이라고 하는데 이 때 전철에 탄 사람도 전차와 함께 등속 직선 운동을 하고 있다.등속 직선 운동하는 물체는 다른 힘을 받지 않는 한 같은 방향과 속도로 운동을 계속한다.바로 관성의 법칙이다.왜 롤러 코스트가 뒤집혀도 사람이 떨어지지 않는가?롤러코스터 – 회전하는 물체에는 원심력이 작용한다롤러 코스트에 작용하는 원심력에 의해서 사람은 좌석 방향에 힘을 받기 때문이다.사람이 떨어지지 않는 것은 롤러 코스터에 작용하는 원심력이 중력보다 크기 때문이다.회전하는 물체에는 원의 중심에서 멀어지는 방향으로 힘이 작용한다.이것이 원심력이다.물이 담긴 양동이를 손으로 잡고 빙빙 돌리면 원심력을 느낄 수 있다.롤러 코스터에도 회전 중심에서 밖으로 향하고 나오는 힘이 작용.그러나 선로가 있기 때문에 제트 코스터 자체는 밖으로 나오지 않아 사람이 롤러 코스터 좌석 방향에 힘을 받는 것이다.원심력은 회전 속도 제곱에 비례하고 회전 반경의 길이에 반비례한다.왜 사람들은 우주에 안 끊어져는가?회전하는 물체에는 원심력이 작용하다.원심력은 회전 중심에서 바깥쪽으로 향하는 힘이다.원심력만 있으면 우주로 날아가지만 그렇지 않은 이유는 모든 물체 사이에 서로를 끌어당기는 힘(인력)이 더 크기 때문이다.지구의 무게 때문에 중력이 매우 크기 때문에 원심력이 그리 강하게 작용할 수 없다.어떻게 인공 위성은 지구 주위를 돌 것인가?우리 손으로 개발한 최초의 정지궤도 위성 천리안 위성 2A호인공 위성이 지구의 중력과 원심력이 평형을 이루는 속도로 날고 있기 때문이다.행성의 주위를 도는 천체를 위성이란 달이 지구의 위성이다.인간이 로켓을 이용하고 지구 상공에 쏘아 올린 인공물이 지구 주변을 위성처럼 돌아갈 수 있을 때 이를 인공 위성이란.인공 위성이 떨어지지 않는 것은 떨어지지 않게 빠른 속도로 움직이니까.즉, 떨어지기 전에 지구를 일주하는 속도로 날고 있다.인공 위성에도 원심력이 작용하다.중력과는 반대 방향으로 작용하는 힘이지만, 중력과 원심력이 정확히 평형을 이루는 속도로 날아 떨어지지 않는다.정지 위성은 늘 같은 장소에 있는 이유는 지구와 같은 속도로 돌고 있기 때문이다.어떻게 비행기는 하늘을 날수 있겠지?비행기 날개의 원리비행기는 바로 날개 덕분에 날아갈 수 있다.이 날개에 의해서 생기는 양력이 비행기를 떨어뜨리려는 중력보다 크기 때문에 하늘을 날아갈 수 있다.비행기 날개 단면은 유선형이어서 비행기가 오른쪽을 날때는 오른쪽에서 오는 공기의 흐름을 받는다.공기는 날개 모양 때문에 상하로 나뉘어 흐르지만, 이 때 날개 위와 아래의 공기의 속도가 서로 바뀐다.공기 속도가 빨라지면 주위의 기압이 떨어지는 물체는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳에 밀리는 성질이 있다.압력이 높은 날개 아래에서 압력이 낮은 날개 위에 미는 힘이 작용하지만 이것이 비행기를 날리는 양력이다.어떻게 쇠 덩어리인 배가 물 위에 떨 수 있는지?배가 뜨는 원리는 부력물에서 받은 부력>배의 무게가 되게 무게와 크기를 조절했기 때문이다.작은 쇠구슬과 큰 배는 모두 지하철인데, 쇠 구슬은 물에 가라앉지만, 배는 물에 뜨다.이는 배의 무게보다 부력이 크기 때문이다.수중에 있는 물체는 물에 의해서 카미 방향의 힘을 받지만 이 힘을 부력이라고 한다.물체의 무게보다 부력이 크다고 물에 뜨다.부력=수몰 부분의 부피만큼 물의 무게.배는 쇠구슬과 달리 내부에 공간이 많다.배의 물에 잠기는 부분은 그 부피만큼 물의 무게에 상당하는 힘을 부력으로 받는다.즉, 배는 물로부터 받는 부력이 자신의 무게보다 커지도록 설계되었기 때문에 물에 뜨는 것이다.스키 점프 선수는 높은 곳에서 떨어져도 왜 다치지 않는가?스키점프스키 점프는 착지 때의 반작용이 작고 충격이 약하기 때문이다.스키 점프의 고도 차이는 40-60m인데 이렇게 높은 곳에서 떨어져도 다치지 않는 것은 착지 면이 경사 때문이다.위에서부터 수평면에 빠졌을 때는 충격이 강하지만, 비스듬하게 날아오고 떨어지자 충격이 약해진다.40도 각도의 경사면에 50도 각도로 떨어지면 10도 각도로 떨어진 것과 같다.왜 물은 컵에서 쏟아지는 것이 아니라 커질까?물의 계면 장력분자가 서로 손을 잡고 끌어당겨분자 간 힘에 의해서 계면 장력이 작용하기 때문이다.테이블 위에 쏟아지는 물은 물방울의 형태로 어느 정도 굳어졌다.즉, 물에는 서로 단결하려는 성질이 있다.물 분자가 서로를 끌어당기분자 간 힘을 갖고 있기 때문이다.분자 간 힘은 물 분자 사이뿐 아니라 물과 컵 사이, 혹은 물과 공기 사이에서도 작용한다.분자 간 힘에 의해서 표면의 넓이를 가능한 한 작게 하려는 방향으로 힘이 작용하지만 바로 계면 장력이다.액체 때는 표면 장력으로 알려졌다.야구에서 던지는 변화구는 왜 부러지는가?회전에 의한 공기의 압력 차로 생기는 매그너스 효과로 공의 움직임이 바뀐다.투수가 던진 공에는 비행기가 날때도 작용하는 양력이라는 힘이 작용한다.야구공이 부러지는 원리는 던졌을 때에 회전을 걸면 양력이 발생하고 공이 부러지게 된다.이처럼 공기 중을 회전하면서 진행되는 물체가 진행 방향과 수직인 방향으로 힘을 받는 현상을 “매그너스 효과”라고 한다.공의 회전 수가 많을수록 매그너스 효과가 커지므로 공의 움직임이 격렬하게 바뀐다.매그너스 효과① 회전 없는 공의 움직임은 불규칙하게 변화한다.(너클 볼의 경우)회전 없는 공의 뒤에는 불규칙한 공기의 소용돌이가 생긴다.이 소용돌이 때문에 공은 흔들거리며 예측하지 않은 경로로 나아간다.아치형 다리는 왜 무너지지 않는가?단면이 사다리꼴의 돌이 작용과 반작용을 통해서 서로를 지탱하기 때문이다.아치를 구성하는 아치 돌을 보면 단면이 사다리꼴이다.이것이 핵심이다.돌은 중력 때문에 아래로 떨어지지만 양편에 있는 돌도 대형이라 떨어지는 힘이 분산하다.빨리는 힘, 즉 중력이 양측의 돌을 내리누르는 힘 A와 B로 분해되는 것이다.아치형의 돌 다리가 하나의 돌이 양측의 돌을 밀면서 반작용을 받는다.이 반작용으로 자신의 무게를 지탱하는 것이다.터널도 다리와 마찬가지로 위에서 받는 무게를 양쪽에 전해서 무너지지 않는다.로켓은 어떻게 우주까지 나아갈까?작용 반작용의 법칙을 이용하여 뛰어오르며 선체를 가볍게 하고 빠르게 날아간다.① 로켓을 날리는 힘은 작용, 반작용, 풍선과 같이 가스를 내뿜는 힘(작용)에서 추진력(반작용)를 얻어 로켓은 날아간다.② 자전 속도를 이용하고 난다 로켓은 지구의 자전 속도에 도움되기 때문에 동쪽으로 발사한다.그래서 연기는 수직선이 없는 수평선을 향한 곡선을 그리다.③ ▲ 썬 연료 탱크를 버리고 가속화=로켓은 대량의 연료와 산소(산화제)를 실은 채로 출발한다.연료와 산화제를 다 쓰면 해당 부분을 분리한다.그렇게 하면 가벼워지고 속도가 빨라진다.헬기는 도대체 어떻게 하늘을 나는 것일까?헬리콥터는 두 개의 날개가 필요하다헬기는 달린 프로펠러에서 양력과 반작용을 얻어 뒤에 달린 프로펠러에서 기체를 안정 시킨다.① 프로펠러는 2개 필요하다.위에 달린 회전 날개를 돌려서 펄쩍 뛰지만 이를 메인 로터라고 하며, 이 회전에서 양력과 반작용을 얻는다.테일 로터는 메인 로터와 다른 방향으로 회전한다.이를 통해서 메인 로터의 회전하는 힘을 상쇄시키고 기체를 안정 시킨다.② 방향 전환을 할 때는 기체 전체를 기울이다.헬기는 메인 로터와 기체를 함께 하기로 원하는 방향으로 날아갈 수 있다.비행기를 타려고 귀이 아픈데, 어찌 된 걸까?기압이 뚝 떨어지자 고막 안쪽의 공기가 고막을 누르기 때문이다.몸의 내부는 외부를 1기압으로 누른다.① 대기압이 약해지면 체내의 압력이 상대적으로 높아진다.지상에서는 대기 압력이 1기압이지만 비행기 안에서는 0.8기압이다.하면 체내의 압력이 상대적으로 높은 상태이다.귀 외부 기압이 갑자기 떨어지자 귀 내부의 기압이 상대적으로 높아지면서 귀이 아프다.즉 고막이 귀 안쪽에서 바깥쪽으로 밀리는 것이다.② 귀 고막 안쪽에 있는 공간은 코와 목으로 이어지고 있다.이 부분의 기압이 고막 밖보다 높아지면 고막은 안쪽에서 바깥쪽으로 밀리고 아픈 것이다.하품을 하면 통증이 사라지지만 이는 귀은 안쪽과 코의 안쪽을 잇는 이관이 열리며 귓속의 공기가 빠져서 압력이 떨어지기 때문이다.왜 얼음 위를 걸으면 발이 미끄러질까?얼음이 압력을 받으면 물이 이 물의 막이 발을 닦는 때문이다.① 물의 막 때문에 발이 미끄러지다.얼음 위에 올라가면 압력 때문에 얼음의 표면에 얇은 물의 막이 생기고 마찰력이 작아진다.또 액체 상태의 물은 형태를 유지할 수 없기 때문에 미끄럽다.② 컬링에서도 물의 막에서 마찰을 줄인다.컬링 경기에서는 얼음 위의 페블이 스톤의 압력으로 일시적으로 물이 되고 마찰을 낮춰서 스톤이 얼음 위에서 미끄러지며 나아갈 수 있다.피겨 스케이팅 선수가 빠르게 회전하는 방법은 무엇일까?피겨스케이팅 회전 비결 – 팔을 모으고 회전 반경을 줄이다각운동량 보존의 법칙에 따라서 팔을 오므리면 회전 속도가 빨라진다.① 피겨 스케이팅 선수가 빙글빙글 빠르게 도는 것은 바로 스케이트 날과 얼음 사이의 마찰이 매우 작기 때문이다.마찰이 작다고 회전 운동량은 외부에서 힘을 가하지 않는 한 보존된다.즉 처음에 땅을 발로 강하게 차는 뿐 선수는 빠르게 회전할 수 있다.② 피겨 스케이팅의 스핀 스핀 스핀 연기를 보면 처음에는 천천가 돌아가고 점점 빨라지지만 팔을 벌린 상태에서 회전하고 팔을 오므리기와 회전 반경이 줄어 각운동량 보존의 법칙에 따라서 회전 속도가 빨라진다.3회전과 4회전 점프를 하는 선수는 벌린 팔을 뛰어오른 순간에 바싹 줄인 회전 반경을 최대한 줄인다.만약 회전 반경이 4분의 1로 줄어들면 회전 속도는 16배로 늘어난다.공중에 있는 동안 최대한 회전하기 때문이다.펌프는 어떻게 물을 수렴하는 것일까?사이펀의 원리이는 사이펀의 원리에 따른 현상이다.관내가 액체로 가득 차서 있으면 도중에서 높은 곳을 지나도 액체는 액면의 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다.액체는 형태를 자유롭게 바꿀 수 있지만 분자끼리 서로 당기는 힘이 작용하므로, 관 내부에서 다 같이 이동하는 것이다.수세식 화장실 물이 흐르는 것도 같은 이치다.관내가 물로 가득 차면, 사이펀의 원리에 따르고 물이 떨어지는 것이다.수프가 든 그릇의 뚜껑을 열기 어려운 이유는 무엇일까?처음에 뜨거운 육수는 시간이 지나고 식어 가겠지만, 그렇게 하면 내과부의 기체도 함께 식지만 이 때 부피가 줄어드니까 기압도 내려간다.즙완의 내부는 1기압 미만으로 떨어진 반면 외부 공기는 그대로 1기압이라 즙완의 뚜껑은 외압을 받다.이 때문에 즙완이 붙기 힘들 것이다.① 즙완이 식탁 위에서 미끄러지는 이유는 공기가 팽창하고 생기는 현상이다.즙완의 발에 해당하는 “발굽”에 물이 있다고 식탁과 힐 사이의 틈을 메운다.이때 힐의 내부 기류는 국 열기 때문에 팽창하면서 팽창한 공기는 즙완을 들고 즙완과 식탁 사이의 마찰이 줄어든다.그러니까 살짝 누르는 것만으로 즙완이 미끄러지다.구두보다 신발을 밟혔을 때 더 아플까?힐에 밟혔을 때 더 아픈 것은 힘의 집중과 분산이 관계하고 있다.물체에 걸리는 힘이 같이 크기로 분산된다.굽게 접촉 면적이 좁다고 힘이 집중하므로 효과가 큰 것이다.왜 전주의 내부는 텅 빈 것일까?내부가 가득 박힌 전봇대와 파이프 모양의 전봇대는 굽히는 힘에 대한 강도가 비슷하다.① 내부가 비어 있어도 단면 계수는 비슷하다.굽히는 힘, 즉 벤딩 모우먼트에 대한 강도와 저항력은 단면 계수로 나타낼 수 있지만 시게자네재와 중공제는 굽히는 힘에 대한 강도가 크게 다르지 않다.② 중심부는 굽히며 힘의 영향이 크지 않다.시게자네재인 원통을 굽히고 보면 당기는 힘도 압축하는 힘도 받지 않는 중심부가 있다.그래서 중심부가 공동이라도 굽히는 힘에 대한 강도는 별 차이가 없다.비가 오면 왜 벼락이 떨어질까?천둥은 얼음과 우박이 문질러지고 양전하의 음전하가 번개가 된다.천둥은 정전기의 거대한 방전이다.이는 얼음과 우박이 스쳐서 정전기가 발생한다.① 천둥의 원리 천둥은 구름 밑에 쌓인 얼음과 물방울이 그늘 전하에 대전한다, 양전하로 대전한 지상을 향해서 전기가 한꺼번에 방전 현상이다.양전하와 뒤 전하가 쌓이고, 그러다 구름 뒤 전하가 지상으로 향해서 한번에 흐르는 현상이 천둥이다.거대한 전기가 공기를 뚫고 나오자 그곳의 공기가 순식간에 1만번 이상 고온으로 되어 폭발적으로 팽창하면서 천둥이 울린다.천둥은 정전기의 거대한 방전이다.구름은 어떻게 하늘에 뜨고 있을 수 있을까?구름은 지름이 0.01mm미만의 물과 얼음 알갱이가 모인 것이다.구름을 이루는 물방울은 아주 작은 가벼워서 공기 중에 둥둥 뜨는 것이다.이는 공기 저항과 부력이 관계하고 있다.작고 가벼운 물체는 중력보다 공기 저항이 상당히 크다.그 때문에 부력이 생기고 떨어지지 않는다.화분이나 먼지 등이 공기 중을 떠다니는 이유는 공기 저항으로 인한 부력을 받기 때문이다.① 구름은 왜 할까, 위에서 공기가 따듯하면 가벼워지고 위에 오른다.따뜻한 공기가 위로 올라가면 차가운 되지만 이 때 공기 중에 있던 수증기가 응결하고 빙정(물이나 얼음 알갱이)이 있다.이것이 구름의 정체이다.② 빗방울과 얼음 알갱이들이 서로 부딪친다고 붙어 점점 커진다.그러면 공기 저항보다 중력의 크기가 커지고 아래로 떨어진다.이처럼 떨어지는 물방울이 비다.지구는 왜 돌것일까?지구는 관성 때문에 46억 년 동안 회전해 왔다지구의 자전과 공전은 지구를 포함한 태양계의 탄생과 관계가 있다.약 46억년 전에 우주를 떠다닌 가스와 먼지가 모이는 중력에 의해서 서로 인용 단결하고 작아지고 갔다.대량의 물질이 한데 모이게 모이면 뜨거워지지만, 그리고 중심은 고온 고압 상태가 되어 항성이 된 지구는 태양 주위를 회전한 가스와 먼지가 모여서 만들어졌다.그때의 회전 운동이 지금도 남아 있지만 그것이 바로 공전과 자전이다.우주는 진공이라 관성의 법칙에 따라서 물체는 외부에서 힘을 받지 않는 한 같은 운동을 계속한다.그러므로 지구는 탄생하고 46억년이 흐른 지금도 공전과 자전을 계속하고 있다.① 태양계의 탄생과 공전 방향 지구 등 행성이 공전과 자전을 하는 쪽은 태양이 만들 때 모인 가스 소용돌이가 회전한 방향 그대로 남았던 것이다.지구는 어떻게 우주에 떠오르고 있는 것일까, 위에 던진 공은 아래로 떨어진다.이는 공이 지구의 중심을 향해서 연주되기 때문이지만, 질량이 있는 물체에는 서로를 끌어당기는 힘인 중력이 작용한다.지구와 공은 서로를 끌어당기지만 지구의 힘이 압도적으로 강하게 볼이 바닥에 가는 것이다.지구와 태양 사이에도 만유 인력이 작용하고 서로 잡아당기고 있다.이때 태양의 힘이 압도적으로 강한 지구는 태양에 끌리지만 그렇다고 지구가 태양을 향해서 그대로 돌진하지 않는 이유는 지구가 태양 주위를 돌며 원심력을 받기 때문이다.지구는 우주 공간에서 만유 인력과 원심력을 받으면서 움직이는 것이다.모든 것을 빨아들이는 블랙 홀은 어떤 구멍?블랙홀지구를 지름이 2cm의 공 정도의 크기로 압축한 듯한 높은 밀도와 엄청난 중력을 가진 검은 구멍이다.태양의 30배가 넘는 무거운 별은 인생을 마칠 때 초신성 폭발이라는 대폭발을 일으키지만, 이 때 끊어졌다 외곽 부분을 제외한 중심부가 붕괴하고 몽블랑 홀이 만들어진다.중력이 매우 강하고 주위의 모든 것을 빨아들인다.빛도 탈출할 수 없을 정도면 우주에 뚫린 검은 구멍 같다고 블랙 홀이라는.① 블랙 홀의 존재를 확인하는 방법 블랙 홀은 가까운 곳에 있는 항성에서 가스를 빨아들일 때에 X선을 발하지만 이를 근거로 존재를 확인할 수 있다.이와 별도로 2019년 5500만광년에 걸친 은하 중심에 있는 블랙 홀 촬영에 성공한한 쌍의 블랙홀(8900만 광년거리에서 한 쌍의 블랙홀 발견)밤은 멀리서 소리가 들리지만, 마음 때문일까?밤에는 하늘보다 땅 근처의 공기가 차가운 소리가 수평 방향으로 굴절한다.소리는 공기의 온도 차이에 의해서 굴절한다.① 낮에 소리가 가는 모양, 낮에는 지상 가까운 기온이 더 높은 소리가 하늘을 향해서 달아나도록 굴절한다.② 밤에 소리가 진행되는 형태의 밤에는 지상 가까운 기온이 더 낮다.그래서 소리는 수평 방향으로 굴절하고 멀리까지 전해진다.밤에 멀리서 나는 소리가 더 잘 들리는 현상은 온도와 소리의 굴절이 관련되어 있다.낮에 날씨가 개면 태양이 땅을 뜨겁게 생긴 열이 서서히 공기에게도 전해지는 기온이 올라간다.그래서 땅 근처보다 하늘의 온도가 더 낮다.반면 지면은 공기보다 식기 쉬우므로 밤이면 하늘보다 땅이 차갑게 된다.소리는 기온이 서로 다른 공기층의 경계면을 지날 때에 굴절되지만 낮에는 위로 올라갈수록 기온이 떨어지므로 소리가 위로 올라가방향으로 굴절하지만 거꾸로 밤에는 위로 올라갈수록 기온이 높은 소리는 수평으로 굴절한다.또 소리에 장애물 뒤로 돌회절다는 성질이 있다, 밤에는 멀리까지 소리가 전해지다.동물에만 들리는 음파란 무엇인가?사람의 귀에는 들리지 않는 주파수 영역의 소리인 초음파를 이용하고 동물은 주변 상황을 파악한다.소리는 공기의 진동의 파동이지만 동물에 의해서 들어라 주파수 범위가 다르다.사람이 듣고 가청 주파수는 20,000헤르츠(Hz)이다.가청음보다 더욱 높고 사람에게는 들리지 않는 소리가 초음파이다.소리는 수중도 전해진다.공기 중의 소리는 1초에 340m 가지만 수중에서는 1초에 1500m진행된다.초음파는 주파수가 높을수록 쭉 나와서 좁은 범위에 소리를 모을 수 있다.이 특성을 이용하는 동물이 돌고래이다.돌고래는 반사하고 돌아오는 초음파를 듣고 수중 생활을 자세히 파악할 수 있다.무지개의 정체는 무엇일까?어떤 형태를 하고 있는가?무지개는 일곱 가지 색의 햇빛이 물방울을 통과하는 것을 볼 수 있다① 무지개가 만들어지는 원리 햇빛이 공기 중으로 떠오르고 있는 작은 물방울 속을 통과할 때 굴절과 반사가 일어나서 7색에 나뉘어 무지개를 보인다.그래서 태양과 반대 방향으로 나타난다.그래서 마당에 물을 뿌리는 때도 작은 무지개가 보이는 것이다.비가 그친 뒤 공기 중에 떠올랐던 물방울을 통과하면 7색에 나뉘어 보인다.② 프리즘으로 햇빛을 분해하는 프리즘에 태양의 빛을 통하면 7색의 빛으로 나뉜다.무지개에는 작은 물방울이 빛을 분해 하는 프리즘 같은 역할을 한다.왜 하늘과 바다는 푸르게 보이나?바다가 푸른 이유-푸른 빛의 산란 때문에① 푸른 색 빛은 산란하기 쉽다.청색은 파장이 짧아 공기 입자와 충돌하고 산란하기 쉽다.반대로 파장이 긴 빨간 색 빛은 공기 입자와 충돌하기 어렵게 산란하기 어려운 ② 물은 빨간 색 빛을 흡수한다.빛 속에서 빨간 색은 물에 흡수되어 흡수되지 않고 산란된 청색의 빛이 우리 눈에 들어온다.이와 함께 하늘의 빛(산란한 파란 빛)도 반사되면서, 바다는 푸른 보인다.③ 노을이 붉은 이유 햇빛이 서쪽으로 지고 땅에 대해서 비스듬히 내리쬐는 때문이지만, 청색의 빛은 공기 입자와 충돌하고 산란되므로 산란되지 않고 땅에 도달한 붉은 빛이 주로 보이는 것이다.텔레비전 리모컨에 적외선을 사용하는 이유TV 리모컨은 적외선을 이용-종이 한 장도 열 수 없다.텔레비전 리모컨 단추를 누르면 리모컨에서 적외선이 나오고 텔레비전 본체에 있는 수신 부분에 도달하면 텔레비전을 조작할 수 있다.적외선은 장애물을 뚫지 못하지만 종이 한장도 적외선을 막을 수 있다.리모컨에 적외선을 쓰는 것은 전파를 이용하면 옆방과 이웃집에 있는 텔레비전을 잘못 작동시킬 수 있기 때문이다.적외선은 눈에 보이지 않지만, 우리는 평소에 적외선을 느끼고 있다.바로 햇빛을 쬐면 따뜻한 이유가 태양에서 나오는 적외선의 때문이다.적외선에는 열을 전달하는 성질이 있어 각종 적외선을 이용한 건강 전자 제품이 많은 것이다.살갗이 그을다 원인은 자외선 B때문이다.피부가 타는건 자외선B때문에사람이 눈으로 볼 수 있는 가시 광선은 파장에 의해서 적색에서 보라 색까지 있지만, 그 중에서 파장이 가장 짧은 것은 자주 색이다.보라 색보다 파장이 짧은 빛을 자외선과 하지만 눈에서 볼 수 없다.① 자외선 B가 살이 익을 원인이다.자외선은 파장이 긴 순서로 자외선 A, B, C의 3종류가 있지만, 자외선 C는 오존층에 막혀서 안 들어.지상에 언급하는 것은 자외선 A, B이다, 자외선 B을 많이 쐬면 피부가 빨갛게 된다 물집이 잡히고 후에는 피부가 어두워진다.피부 세포가 자외선을 흡수하는 검은 색소인 멜라닌을 많이 만들어 내기 때문이다.자외선 A는 피부를 천천히 검게 만든다, 주름살과 피부 처짐의 원인이 된다.② 자외선은 비타민 D를 만든다.자외선은 비타민 D를 만드는데 여름에는 30분, 겨울에는 1시간 정도 햇빛을 쬐면 충분한 효과를 얻을 수 있다.X선 검사를 하면 왜 몸이 비추어져서 보일까?X선은 가시 광선과 마찬가지로 전자파의 일종으로 물건을 뚫고 지나는 성질이 있다.반면 가시 광선은 물건을 투과할 수 없지만 이는 X선이 가지는 에너지가 가시 광선보다 크기 때문에 생긴다.모든 사물은 원자로 구성되지만, 원자 중심에는 원자 핵, 그 주위에는 전자가 있다.가시 광선은 원자와 부딪치면 전자에 붙잡히지만 에너지의 강한 X선은 전자에 잡히지 않고 원자 핵과 전자 사이를 빠져나갈 수 있다.X선은 피부나 근육 등 수분이 많은 것은 찌를 수 있지만 가시처럼 내부가 꽉 차는 조직은 투과할 수 없다.① CT촬영의 원리CT 촬영은 X선관이 몸 주위를 회전하면서 촬영한다.CT촬영은 X선이 몸 주위를 회전하면서 촬영한다.X선이 나선을 그리며 회전하는 방식을 헬리컬 스캔으로 알려졌다.복사기는 어떻게 서류를 똑같이 복사할까?프린터 원리복사기는 우선 카메라처럼 렌즈를 이용해서 원고에 적힌 내용을 렌즈 아래에 있는 감광체라는 부분에 기록한다.감광체는 빛이 없을 때는 표면에 정전기를 띠지만 빛을 받으면 정전기가 사라지는 성질이 있다.즉 빛과 정전기를 이용하고 정확히 복사한다.① 흰색에서 나온 강한 빛을 받은 곳에서는 뒤 전하가 사라진다.문자의 있는 검은 부분은 강한 빛을 받지 않고 뒤 전하가 남아 있다.② 뒤 전하가 남은 부분에 양전하를 띤 토너가 붙어 있어 글씨가 복사되는 것이다.토너는 탄소와 플라스틱으로 구성된 미세한 가루로 양전하로 대전하고 있다.그래서 감광체의 뒤 전하가 남은 곳에 달라붙는다.③ 감광체에 부착한 토너를 다시 정전기를 이용하여 종이에 옮긴다.그리고 토너가 종이에서 떨어지지 않게 열을 가하게 붙도록 한다.이 과정을 거쳐서 복사기에서 복사한 종이가 나온다.발전소에서 만들어진 전기가 도착하는데 걸리는 시간은 얼마나 됩니까?발전소에서 만들어진 전기가 가정에 도달할 때까지의 시간은 금방이다.① 전기는 모아 둘 수 없는 전기는 모아 둘 수 없으니 발전소에서 소비량을 예측하고 발전한다.소비량이 생산량보다 많다는 주파수가 낮아진다.생산량이 소비량보다 많다는 주파수가 높아진다.② 직류 또 교류 직류는 전류의 방향과 전압이 일정하다.건전지를 생각하면 좋고, 발전소에서 만드는 전기는 전류의 방향이 1초에 수십번 바뀐 교류다.교류는 시간과 함께 전류의 방향이 바뀐다.가정용 전기를 생각하면 된다.LED는 일반적인 전구와 무엇이 다른지 LED는 백열 전구나 형광등보다 작은 전력으로 빛을 내는 데다 수명도 길고 널리 쓰인다.전구는 열에 의해서 빛을 내지만 LED는 전기가 충돌하고 발광한다.① 전구의 전구는 열에 의해서 발광한다.예를 들어 전기 스토브를 켜면 전류에 의해서 니크롬선이 붉어진다.처음에는 빨간 색이지만, 온도가 올라가면 더 밝은 빛을 발한다.이처럼 금속을 가열하고 일정 온도 이상이 되면 밝은 빛을 낸다.전구는 안에 있는 필라멘트는 금속선에 전류를 흘리고 가열되고 빛을 낸다.LED 원리② LEDLED는 발광 다이오드라 불리는데, p형과 n형이라는 2종류의 반도체를 붙인 것이다.p형 반도체 양전하가 흐르는, n형 반도체에서는 음전하가 흐른다.LED를 붙이면 p형 반도체와 n형 반도체의 경계면에서 양전하와 뒤 전하가 부딪쳐서 생긴 에너지가 빛으로 변하는 발광한다.전구처럼 열에서 발광하는 것은 아니다.발전소에서는 어떻게 전기를 만드는 것일까?발전기 원리전기는 화력 발전소, 수력 발전소 원자력 발전소 등에서 발전기를 이용하고 만들어진다.발전기의 구조는 모터와 비슷하다.모터에 전류를 흘리면 코일이 회전하지만 발전기는 이와는 반대로 코일을 회전시키는 전류가 흐른다.어떤 종류의 발전소에서도 화력, 수력 등의 힘을 이용하여 발전기를 회전시키고 전기를 만든다.예를 들면 화력 발전소에서는 석탄과 석유 등에서 물을 끓이고 증기의 힘으로 터빈을 회전시킨다.이 회전을 발전기에 전달하고 전기를 만든다.화력 및 원자력 외의 에너지를 자연 에너지라는, 지열 발전은 마그마 열로 만들어진 증기를 이용하고 터빈을 돌리고 발전하는 방식이다.바이오매스 발전은 나뭇조각, 먼지, 폐유 등을 연료로 이용하는 화력 발전이다.왜 휘발유를 넣으면 차가 움직이니?휘발유가 발화점이 낮은 휘발성이 높은 액체이다.다시 말하면 폭발적으로 타기 쉬운 액체이다.이 액체들과 공기를 섞은 혼합 기체를 연소시키고 엔진의 동력으로 한다.자동차에 탑재된 휘발유 엔진은 실린더 내부에서 혼합 기체를 연소시켜서 만든 에너지를 동력원으로 내연 기관이라 부른다.피스톤의 왕복 운동을 크랭크 축에 전달하고 회전 운동으로 바꾸고 이 회전 운동이 톱니 바퀴를 통해서 차축에 전달되고 타이어가 회전한다.냉장고는 어떻게 차갑게 될까?냉장고 원리우리가 알콜로 닦고 소독할 때 차갑게 느껴지는 것은 알코올이 기화(증발) 할 때 피부에서 열을 흡수하기 때문이다.액체가 기화할 때에 열이 많이 필요하지만 알코올은 이를 피부에서 흡수하는 것이다.냉장고도 같은 원리이지만, 냉장고는 아이소 뷰테잉(이소 부탄이라는 가스를 사용.이 가스는 온도와 압력에 의해서 기체로 되거나 액체로 되거나 하는 물질이다.알코올이 피부에서 열을 흡수하도록, 이소 부탄이 냉장고 내의 공기에서 열을 흡수한다.기체가 된 이소 부탄은 파이프를 통해서 냉장고 밖에 있는 압축기에 들어 압축된 액체로 바뀐다.이때, 냉장고 내의 공기에서 흡수한 열이 파이프 부근의 공기 중으로 방출된다.액체로 된 이소 부탄은 다시 파이프에 따라서 냉장고 속에 들어갔으며 이 과정을 반복하면서 냉장고는 차갑게 된다.저기압 때 흐리고 비가 내리는 이유는 무엇일까저기압이 구름을 만드는 이유주위보다 기압이 낮은 곳을 저기압 주위보다 기압이 높은 곳을 고기압으로 알려졌다.공기는 기압이 높은 곳(공기가 진한 곳)에서 기압이 낮은 곳(공기가 얇은 곳으로 이동한다.저기압에서는 상승 기류가 발생하므로 중심에 향하고 주위로부터 바람이 불고 구름이 만들어진다.공기는 온도에 의해서 수증기량이 정해졌지만 저기압에서 상승 기류가 생기고 온도가 떨어지면 포함되지 않는 수증기가 작은 물방울이나 얼음 알갱이로 된다.이것이 구름이 생기는 이유이다.이것이 구름이 되고 흐리거나 비가 되어 내리기도 한다.태풍이란 무엇인가?저기압과 무엇이 다른가?태풍 우풍이 세다최대 풍속이 17m/s이상의 열대 저기압 모든 것을 태풍이라고 정의한다.즉 거대한 열대 저기압이다.열대의 더운 바다 위에서는 수증기를 많이 포함한 따뜻한 공기가 만들어진다.이 공기는 가볍고 상승 기류가 생기고 공기가 얇은 부위, 저기압이 발생한다.이 저기압으로 향해서 주위에서 소용돌이 치듯이 바람이 불고 이 바람도 저기압의 중심 부근에서 수증기를 많이 포함한 상승 기류가 된다.이것이 열대 저기압의 제조 법이다.태풍은 진행 방향 오른쪽에서는 중심에 향하고 불어 오는 바람과 태풍이 진행되는 힘이 합쳐지고 강한 바람이다., 반대로 서쪽에서 바람은 진행 방향의 힘이 상쇄되고 약해진다.어떻게 GPS는 자리가 나타날까?GPS는 위성 3대와 수신기 사이의 거리에서 위치를 알 수 있다.GPS(global positioning system)은 인공 위성을 이용해서 자기가 지구상 어디에 있는지 조사할 수 있는 시스템이다.미국에서 군사용으로 개발됐지만 현재는 민간에서도 사용되고 있다.GPS위성은 고도 20,000km6궤도에 4대씩 배치되고 예비 포함 약 30대가 지구 주위를 돌고 있다, 즉 GPS위성 3대와 수신기 사이의 거리를 알면 수신기의 위치를 알 수 있다는 것이다.이론상 인공 위성 3대만 있으면 좋지만 4번째 인공 위성의 전파를 수신하면 다양한 값을 보정하고 더 정확한 위치를 알 수 있다.인공적으로 비를 내리는 원리인공 강우 과정비는 하늘에 떠다니고 있는 구름을 구성하는 물방울이 차갑게 되면 작은 얼음 알갱이로 되고 여기에 주위에 있는 수증기와 물방울이 붙어 눈이 되지만 이것이 아래로 떨어지고 녹아 비가 오게 된다.빙정이 만들어지기 위해서는 지상에서 날아오는 미세한 소금, 흙, 화산재 등의 미립자가 필요하다.이 빙정 핵이 되는 미립자를 인공적으로 구름 속에 뿌리고 비가 내리도록 하는 것이 인공 강우의 기본이다.드라이 아이스와 아이오닛크화 은행은 빙정 핵이 되는 물질에서 드라이 아이스는 온도가 낮고 빙정이 만들어지기 쉽고, 아이오닛크화 은행은 결정 형태가 눈과 얼음과 비슷해서 눈이 만들어지기 쉽다.인공 강우는 비행기로 구름 속에 드라이 아이스를 뿌리며 지상에서 연기를 내뿜어 구름에 태우기도 한다.초전도 케이블의 원리-전기 저항이 제로초전도 케이블-액체질소로 냉각한다.발전소에서 만든 전기는 전선을 통해서 송전하지만 금속으로 된 전선은 전기 저항이 있고 전류의 일부가 열에 바뀐 에너지 손실이 일어난다.송전 손실이라고 하지만, 송전 거리가 멀수록 저항이 커지고 송전 손실도 늘어난다.일본에서는 약 5%의 송전 손실이 일어난다고 한다.이 손실을 세계적으로 없앨 수 있다면 에너지 문제 해결에 큰 도움이 될 것이다.① 초전도 있는 금속은 매우 냉정하다고 전기 저항이 0으로 이를 초전도체라고 하지만 현재는-196도 액체 질소를 이용하고 차가운 상태를 유지하는 초전도 케이블이 실현되었다.다만 엄청난 케이블을 차갑게 유지하기 위해서는 막대한 비용과 설비가 필요하다, 아직 해결하는 문제가 많은 실험 단계다.만약 되면 맑은 날이 이어지는 사막에서 태양광 발전한 전기를 전 세계에 보내거나 각국에서 남는 전력을 쓰는 것도 가능하기 때문에 에너지와 환경 문제에 큰 도움이 될 것이다.자기 부상 열차는 왜 빠를까?-초전도 자석선형 모터-초전도 전자석바퀴 달린 열차는 시속 400km정도가 한계이지만 자기 부상 열차는 자석의 힘으로 공중에 뜬 채 시속 600km이상의 속도로 달린다.자기 부상 열차는 차체를 띄우고 앞으로 나아가기 위한 초전도 자석이 각 차량의 양쪽에 붙어 있다.모종의 물질은 절대 영도(-273도)에 가까운 온도로 냉각하면 전기 저항이 0이 되는 매우 강한 자석이다.초전도 자석에서 자기 부상 열차에서는 액체 헬륨을 이용하고 초전도 전자석을-269도까지 냉각한다.① 차체가 전진하는 방법 차체의 초전도 자석은 늘 같은 극이지만 추진 코일은 전류의 방향을 바꾸는 것으로 N극과 S극을 차례로 바꿀 수 있다.이런 원리로 차량의 움직임에 맞추어 코일의 N극과 S극을 바꾸는 것으로 차량을 전진시키다.수소 연료 전지 자동차의 구조수소연료전지차의 작동원리물에 전류를 흘리면 수소와 산소로 분해되는 물의 전기 분해 현상이 일어난다.연료 전지 원리는 이와는 반대의 반응을 일으키는 것으로 수소와 산소가 반응하고 물이 될 때 발생하는 전류를 이용한다.연료 전지는 수소와 산소를 공급하면 전류를 발생시킬 다르게 전기를 충전할 필요는 없다.또 배기 가스는 대부분 수증기(물)이기 때문에 이산화 탄소가 발생하지 않기 때문에 환경 친화적이다.연료 전지를 이용한 차가 널리 보급되지 않는 이유는 가격이 높은 수소 충전소가 많지 않기 때문이다.최근 고성능 리튬 이온 전지를 싸게 만들 수 있어 전기 자동차에 이용하게 됐다는 점도 있다.빛이 어떻게 전기가 되는가?태양 전지의 원리태양 전지 발전 원리태양 전지에 가장 많이 사용되는 것은 실리콘 태양 전지 반도체를 이용하여 만든다.반도체에는 n형과 p형 2종류가 있지만, 태양 전지는 2종류의 반도체를 지어 만든다.태양 전지에 빛을 비추면 n형과 p형 접합 면 부근에 전자(음의 전기)과 정공(양의 전기)가 발생하고 전자는 n형으로 이동해 정공은 p형으로 이동한다.이 때, 전구 등을 연결하는 전류가 흐리기 시작한다.태양 전지는 친환경 자연 에너지로 사용할 뿐 아니라 인공 위성 등의 자원으로 사용된다.① 우주에서 반드시 필요한 태양 전지(인공 위성 사진)인공위성의 심장 태양 전지판인공위성에서는 태양전지 패널이 큰 면적을 차지한다. 대부분의 위성은 태양전지 없이는 가동할 수 없다. 우주 엘리베이터(지상과 우주를 연결)우주 엘리베이터미래에 로켓보다 저렴한 가격으로 안전하게 우주에 가는 방법으로 우주 엘리베이터(궤도 엘리베이터)가 있다.우주 엘리베이터는 적도 상공 약 3만 6000km에 건설한 우주 정거장과 지상을 밧줄로 연결하는 로프에 따라서 상하로 움직이는 엘리베이터를 통해서 사람과 짐을 수송하는 것이다.정거장은 3만 6000km상공에서 지구 자전과 같은 속도로 날아가기 때문에 지상에서는 계속 같은 위치에 머물고 있는 것처럼 보인다.이를 정지 궤도.다만 줄의 끝이 정지 궤도에 있다고 로프의 무게로 우주 정거장이 지구에 떨어진다.이를 방지하기 위해서 로프는 정지 궤도 너머의 우주 쪽으로 더 길게 뻗은 뒤 끝에 추를 달아 두면 원심력이 커지므로 우주 정거장은 지구에 떨어지지 않는다.로프는 철보다 튼튼하고 가볍게 카본 나노 튜브 등으로 만들 수 있다.전자 레인지와 마이크로파의 작동 원리전자레인지 가열 원리전자 레인지는 매 쿠론은 부품에서 발생하는 마이크로파는 전파를 식품에 대고 식품에 포함되는 물에 작용하고 열을 발생시키는 장치이다.물 분자는 수소 원자 2개와 산소 원자 1개로 이루어지는데, 이 물 분자는 일방(산소 원자 쪽)은 음 전하를 띠어 반대 측(수소 원자 쪽)는 양전하를 띠다.전자 레인지의 마이크로파는 2.45기가 헤르츠(GHz)의 전파로 이는 1초에 24억 5000만회 진동한다.그리고 한번 진동할 때마다 양극과 음극이 바뀐다.이 전파가 식품 내의 물 분자와 부딪히자 전파의 진동에 맞추고 물 분자의 방향이 바뀐다.이런 움직임에 의해서 물 분자가 서로 스쳐서 생기는 마찰 때문에 열이 발생하고 식품이 데운다.추울 때 손을 비비면 따뜻해질 것과 같은 원리이다.
