1. 골프 공은 왜 곰보일까?

  20세기에 들어와 골프공의 표면을 옴푹 옴푹 파이게 함으로써 골프경기에 혁명이 일어났습니다. 표면이 매끈할 때 65m밖에 못 날아가던 것이 275m까지 날게 된 것입니다. 15세기에 골프가 처음 시작될 때에는 속에 깃털을 넣은 매끈한 가죽공이 사용되었습니다. 그런데 공이 클럽에 맞아 옴푹 옴푹 자국이 난 뒤에 훨씬 멀리 간다는 사실이 드러났습니다. 그래서 골프 공 제조업자들은 홈이 파인 공을 만들기 시작했습니다.

홈이 파이면 공이 멀리 날아가는 이유는 무엇일까요?

공이 날아갈 때에는 얇은 공기 층이 앞쪽 표면에 달라붙습니다. 공을 지나가면서 그 공기 층은 표면에서 떨어져나가 위쪽에 소용돌이치는 무늬를 이루게 됩니다. 소용돌이 하는 공기로 인해 공의 속도는 느려지는데 곰보 모양이 있는 경우에는 공기가 공 표면에 찰싹 달라붙고 떨어져 나갈 때도 아주 가느다란 공기 흐름이 생기기 때문에 공의 속도가 많이 느려지지 않습니다. 또 골프 공은 칠 때 반드시 위로 스핀이 걸리기 때문에 공기를 공 위쪽으로 감아 올리고 그 공기는 회전으로 인해 공 아래쪽으로 가는 공기보다 빨리 움직입니다. 그러면 아래쪽보다 위쪽의 압력이 낮아 오랫동안 하늘에 떠 있게 된답니다.

2. 수명이 다한 인공위성이나 못쓰게된 인공위성은 어떻게 될까?   

 1957년 10월 소련은 최초로 인공위성을 쏘아 올렸습니다. 스푸트니크 1호이지요. 스푸트니크 1호는 96.2분만에 지구를 한 바퀴 돌았답니다. 그리고 같은 해 2호도 우주로 날아갔습니다. 이 인공위성에는 최초로 생명체가 타고 있었지요. 바로 라이카라는 개입니다. 이때 이후 소련과 미국, 독일, 일본, 그리고 중국 등 수많은 나라들이 인공위성을 쏘아 올렸습니다. 우리 나라도 이 대열에 가담했지요. 그래서 지금은 수천 개의 인공위성이 지구궤도를 돌고 있답니다.

그렇다면 1957년 이후 해마다 우주 공간으로 올라간 인공위성들은 모두 어떻게 되었을까요? 지금도 변함없이 돌고 있을까요? 수명이 다하거나 고장이 난 인공위성은 자동으로 폭발하게 되어 있지는 않을까요? 여러 가지 궁금증이 생길 수 있습니다. '라이카는 다시 지구로 돌아왔을까?' 라이카는 역사에 이름을 남겼지만 결코 다시 돌아오지 못했습니다. 지금쯤은 우주의 먼지로 변해 어느 행성에 내려앉았거나 아니면 학교 창 밖으로 날아가는 먼지 속에 섞여 있는지도 모르죠.

지금까지 쏘아 올린 인공위성 중 제 역할을 하고 있는 것은 주로 최근에 쏘아 올린 인공위성이라고 말하고 있습니다. 비율로 따지면 약 25% 가량밖에 안 된답니다. 그리고 나머지는 빠른 속도로 지구 궤도를 돌고 있습니다. 돌다가 때로는 조각조각 부서져 파편으로 돌기도 하지요.

인공위성이 도는 궤도를 조사한 과학자에 따르면 몇 천 개의 고장난 위성과 몇 만개의 파편들이 궤도를 돌고 있습니다. 미래의 우주 여행 중에는 그 동안 쏘아 올렸던 인공위성과 우주 탐사선의 잔해들도 우주여행의 방해꾼으로 나타나진 않을까요?

3. 물체의 무게는 지표면과, 지각 속에 깊은 구멍을 파고 그곳에 물체를 놓았을 때, 어느 곳에서 더 무거울까?

지구에 깊은 구멍을 파고 들어간 곳과 지표면에서 같은 물체의 무게를 측정하면 어떤 결과가 나올까요?

옳은 답은 '지표면에서 측정한 무게가 더 무겁다' 입니다. 왜 그럴까요?

우리는 물체의 무게라는 것을 '물체를 지구가 끌어당기는 힘(중력)의 크기이며 지구에 가까울수록 중력의 크기는 크다' 라고 알고 있습니다. 단순히 이와 같은 지식에 의하면 지구 중심에 조금이라도 더 가까운 곳에서 측정한 무게가 무거워야 되겠지요. 그러나 이와 같은 생각은 중력에 대한 개념을 정확히 알지 못하는데서 비롯된 것이라 할 수 있겠습니다.

만유인력의 법칙에 의하면 중력은 지구만이 가지고 있는 것이 아닙니다. 질량을 가지고 있는 물체라면 아주 자그마한 돌멩이라도 일정한 크기의 중력을 가지고 있지요. 따라서, 지구 내부로 들어가면 물체의 주위에 있는 질량이 그 물체를 같은 힘으로 모든 방향에서 잡아당기기 때문에 무게는 증가하지 않고 오히려 감소합니다. 결국 지구 중심에 도달하면 물체는 완전히 무게를 상실하고 무중력 상태가 되는 것입니다.

이런 이유에서 물체는 지구 표면에서 가장 무거우며 지구 표면으로부터 내부로 그 위치를 옮김에 따라 무게가 감소합니다. 단, 이것은 지구 내부의 밀도가 균일하다고 가정할 때의 추리입니다.

4. 전기의자의 발명자는 누구일까?  

사형을 금지하는 나라가 점점 늘어나는 추세입니다. 우리 나라에서도 얼마 전 사형폐지론과 존속론이 맞서 논쟁을 벌인 적이 있었지요. 하지만 아직도 사형제도가 있는 나라가 많습니다. 예로부터 사형방법에는 교수형과 총살형이 일반적이었지요.

그런데 사형방법으로 전기 의자를 사용한 것은 미국이 최초입니다. 그리고 가장 많이 사용한 곳도 미국이었지요. 전기의자가 미국에서 발명되었기 때문입니다. 시간이 흐르면서 미국에서도 많은 주에서 전기의자로 사형시키는 방법을 폐지했습니다. 하지만 여전히 남아 있는 주도 있답니다.

이 전기의자의 발명자가 누군 인 줄 아세요? 놀랍게도 발명왕 에디슨이랍니다. 에디슨이 전기의자를 발명한 것은 아주 우연의 계기였지요. 에디슨은 많은 발명을 하면서 한편으로 사업에도 손을 대었습니다.

1882년 세계 최초의 중앙발전소와 전등회사가 탄생했습니다. 에디슨이 세운 회사이지요. 처음에는 명성도 있어서 사업이 순조로웠습니다. 그런데 어느 날 라이벌이 나타났습니다. 웨스팅하우스라는 사람이었지요. 그도 전력회사를 세웠습니다.

에디슨은 고민이 많았습니다. 자기 회사의 직류발전기로는 기껏 2～3마일 정도의 거리밖에 전기를 보내지 못하기 때문이었습니다. 그 이상도 보낼 수 있지만 그러자면 전력 값을 올려야 하고 그렇지 않으면 전력 손실이 커서 큰 손해를 볼 처지였습니다. 이와 달리 웨스팅하우스의 전력회사는 교류발전기를 사용하기 때문에 변압기를 달면 아무리 먼 곳이라도 송전할 수 있었지요.

"만약 직류 전기의 우수성을 알리지 못하면 우리 사업은 파산하고 말아."

에디슨은 생각 끝에 교류 전기의 위험성을 알리기로 마음먹었습니다. 그 중 하나가 교류의 고압 전류로 개나 고양이를 불태워 죽이는 실험이지요. 에디슨은 직접 나서지 않고 다른 사람을 고용해서 여러 차례 공개 실험을 했습니다.

에디슨의 예상대로 웨스팅하우스의 인기는 땅에 떨어졌습니다. 웨스팅하우스는 파산 일보직전까지 갔다가 1893년 시카고 박람회를 계기로 다시 일어선답니다.

한편 교류 고압전류의 위력을 본 뉴욕 주 형무소는 에디슨에게 전기의자를 만들어 달라고 부탁했습니다. 이 때부터 미국에서는 교수형 대신 전기의자로 사형을 시켰답니다.

  5. 연필이 종이에는 잘 써지는데 유리판에는 잘 써지지 않는 이유는?  

오늘은 우리들의 작은 일상 생활 속에도 수많은 과학적 원리가 적용되고 있다는 것을 하나의 예를 들어 이야기하려 합니다.

우리들이 많이 사용하는 생활용품 중에 연필이 있습니다. 그런데 이 연필은 종이 위에는 글씨가 잘 써지는데 유리판과 같은 매끈한 물질 위에는 잘 써지지 않습니다. 그렇다면, 종이 위에 글씨가 써지는 원리는 무엇일까요? 또, 매끈한 물질 위에는 왜 연필이 쓰여지지 않는 것일까요?

그것은 한마디로 마찰력 때문이라 할 수 있습니다. 연필심은 흑연과 점토로 되어 있습니다. 연필이 종이에 써지는 것은 연필심의 흑연이 종이에 묻어나는 것인데, 흑연이 묻어나기 위해서는 마찰력이 필요합니다. 따라서 유리처럼 마찰력이 작아 미끄러지는 곳은 흑연이 묻어나기 어렵습니다. 즉 종이에 연필로 글씨를 쓸 수 있는 것은 흑연과 종이가 일으키는 일정한 마찰력에 의한 것입니다.

이와 같이 우리들이 무의식중에 행하고 있는 여러 가지 사소한 일들 속에도 주의 깊게 살펴보면 많은 과학적 원리가 적용되고 있다는 것을 알 수 있습니다.

6. 방사능은 왜 위험할까?

  사실 지구상의 모든 생명체는 옛날부터 방사능과 우주선에 항상 노출된 채 살아 왔습니다. 그런데 현재 실험실에서 X선을 만들고, 땅속에 미량 포함된 라듐 같은 천연 방사성 물질을 인공적으로 농축시킴으로써 날이 갈수록 그 위험은 커지고 있습니다.

초기에 X선과 라듐을 연구하던 사람들은 방사능에 노출되어 치명적인 해를 입기도 했습니다. 퀴리와 그 딸은 방사선 노출에 의한 백혈병으로 사망했습니다. 오늘날 백혈병의 발병률이 높은 것도 X선을 지나치게 많이 사용하기 때문일 것입니다. 방사능이란 불안정한 원소, 즉 방사성 원소의 원자핵이 스스로 붕괴하면서 방사선을 내뿜은 현상을 말합니다. 방사선에는 알파선, 베타선, 감마선이 있는데 각각 특징이 다릅니다. 알파선은 헬륨의 원자핵으로 양전하를 띠며, 투과력은 약하지만 원자 수준에서는 대포알 같은 위력을 지닙니다. 베타선은 빠른 전자의 흐름인데 음전하를 띠며 투과력은 중간입니다. 마지막으로 감마선은 전자기파의 일종으로 투과력이 가장 세서 콘크리트 벽도 뚫을 정도입니다.

이런 방사선은 쬐는 방법에 따라 몸에 직접 쬐는 체외 피폭과 방사능에 오염된 공기, 물, 음식물이 몸 안으로 들어오는 체내 피폭으로 나눌 수 있습니다. 방사선을 쪼이면 세포핵 속의 유전 물질이나 유전자가 돌연변이를 일으키거나 파괴됩니다. 예를 들어 아기를 가진 여자가 방사능에 노출되면 태아의 유전자가 변하여 기형아가 됩니다. 또한 방사능은 암을 비롯한 갖가지 질병을 일으키는데, 1986년에 일어난 체르노빌 사고에서 그 극명한 예를 찾을 수 있습니다. 구 소련 우크라이나 공화국의 체르노빌 원자력 발전소에서 일어난 사고는 인류가 원자력 발전을 시작한 지 32년만에 발생한 최악의 사고로 기록되었습니다. 원자로를 식히는 냉각수관이 파괴되자 원자로 내부의 온도가 급격히 올라가 통째로 폭발해버렸는데, 이때 발전소 건물이 산산조각 나면서 강력한 방사능을 뿜기 시작했습니다. 이 사고로 많은 사람들이 죽었고, 살아 남은 사람들도 암, 백혈병, 빈혈증, 만성비염, 후두염에 시달리고 있으며, 태어난 아기들도 기형아가 많았습니다. 물론 사람뿐만 아니라 동식물에도 많은 기형이 생겼습니다.

방사능이 위험한 이유는 또 한가지 있습니다. 원자력 발전소에서 연료로 쓰고 난 뒤에 남는 방사성 폐기물에서는 인체에 치명적인 해를 주는 방사선이 나오는데, 이것이 줄어들어 무해하게 될 때까지는 수천 년에서 수십 만년이 걸립니다. 소위 반감기가 길다는 것이며 거의 반영구적인 시한 폭탄인 셈인데, 이것을 완벽하게 해결할 기술은 아직 개발되지 않고 있습니다.

7. 감전은 왜 일어날까?  -   전깃줄에 앉은 참새가 감전되지 않는 이유  

우리는 가끔 감전 사고에 대한 뉴스를 듣습니다. 이러한 사고는 왜 일어날까요? 그것은 전류가 몸을 통하여 흘렀기 때문입니다.

우리 몸의 저항은 약1,000Ω에서 500,000Ω까지 상황에 따라 달라집니다. 이 값은 몸이 젖어 있을수록 작습니다. 만약 마른 손가락으로 24V 건전지의 두 단자를 만지면 약간 간지러움을 느끼지만, 몸이 젖어 있다면 매우 견디기 힘들 것입니다.

다음 표는 사람 몸에 전류가 흐를 때 인체에 미치는 영향을 나타낸 것입니다.

 전류 (mA)  인체에 미치는 영향   0.001  느낄 수 있다   0.005  고통스럽다   0.010  근육 수축을 일으킨다   0.015  근육이 마비된다   0.070  심장에 영향을 준다(1초 이상 흐르면 치명적임)   만일 땅을 딛고 손으로 120V를 만지면 손과 다리사이에 120V의 전압 차가 있는 것입니다. 보통 땅과 다리 사이에는 저항이 크기 때문에 몸을 다치게 할 정도로 큰 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 사람의 발과 땅이 젖어 있다면 다리와 땅 사이의 저항이 작아져서 몸이 견딜 수 없을 정도로 큰 전류가 흐릅니다. 그렇기 때문에 목욕을 하면서 전기 제품을 만지는 것은 절대로 금해야 합니다.

몸의 한 부분과 다른 부분 사이에서 전압 차가 있을 때 감전이 됩니다. 만일 우리가 다리에서 떨어지다가 고압선을 잡고 매달렸다면 이때는 다른 전선을 건드리지 않는다면 전혀 감전되지 않습니다. 비록 전선의 전압이 수 만 볼트일지라도 두 손으로 하나의 전선만 잡고 있으면 몸에는 전류가 흐르지 않습니다. 왜냐하면 손과 손 사이에 아무런 전압 차가 없기 때문입니다.

고압선에 참새가 앉아 있을 수 있는 것도 이와 같은 이유 때문입니다. 그러나 새의 한쪽 발이 이웃한 전선에 닿는다면 전선사이에는 공기와 새가 병렬로 연결된 셈이며, 새의 저항이 공기의 저항보다 작으므로 전류가 새의 몸을 통해 흐르게 됩니다.

8. 번개의 생성과 소멸  

번개란 구름이 많이 낀 날 우리가 볼 수 있는 한줄기의 빛이고 그 소리를 우리는 천둥이라고 부른다.

번개는 근본적으로 구름이 있어야 형성이 된다. 그러므로 고온 다습한 지방에서 구름이 많이 생기고 또 번개가 많이 친다. 세계에서 번개가 제일 많이 치는 곳은 미국의 플로리다주이다. 플로리다주를 기준으로 90 km 구간은 번개의 다발지역이라고 해도 과언이 아닐 만큼 1년 365일 중 100여 일을 번개 치는걸 볼 수 있다고 한다. 번개의 생성조건은 지상이나 바다, 강 등에서 증발한 수증기가 위로 상승해서 상승기류를 형성한다. 공기가 위로 올라가면 단열 팽창하므로 온도가 하강하여 적란운을 만들어 낸다. 위로 올라갈수록 온도가 급격히 하강하여 수증기가 모여 빙정을 만들어 낸다. 그 빙정들은 상승기류에 의해 이리저리 떠다니면서 크게는 사람의 주먹크기 만한 빙정들도 형성된다고 한다. 그 빙정들은 작은 것과 큰 것으로 나뉘어져 작은 것은 '-'극, 큰 것은 '+' 극으로 나누어진다. 그래서 -극이 +극을 끌어당기면서 서로 충돌하는데 이 과정을 번개라고 한다. 번개는 주로 지상의 높은 곳에 떨어지는데 어떤 사람들은 피뢰침만 세우면 번개로부터 절대 안전하다고 하지만 연구에 의하면 피뢰침보다 피뢰침 바로 옆에 있는 나무가 번개에 맞아 쓰러지는 경우가 많다고 한다. 번개가 땅으로 내려오는 과정은 '-' 이온과 '+' 이온이 눈에도 보이지 않고 소리도 들리지 않을 만큼 먼저 한줄기의 '번개가 지나갈 길'을 만드는 것이다. 이 이온들이 한 줄기를 형성하면서 지상으로 내려온다. 또 지상에서도 높은 곳부터 있는 물체들이 희미한 이온들을 번개와 같이 낸다고 한다. 이 두 줄기가 만나면 곧바로 그곳으로 번개가 떨어진다고 한다. 실제로 사진에 이런 게 찍혀 있다. 들판에서 번개를 피하는 요령은 다 아는 거지만 앞에서도 보았듯이 높은 곳은 절대 금물이다. 번개는 일단 가깝고 높은 곳의 물체를 표적으로 삼는다. 들판 어디에도 숨을 곳이 없다면 몸을 공 모양과 같이 웅크리고 앉는다. 들판에서는 이 방법이 최선이라고 한다. 그리고 번개 치는 날에는 전화를 되도록 받지 않는 게 좋다. 왜냐하면 전화선은 외부와 연결이 되어 있기 때문이다. 물론 통신도 금물이다. 전화선으로 외부와 연결이 되어있기 때문. 또 샤워도 금하는 게 좋다. 비교적 안전지대는 차안이다. 차안에 가만히 있으면 차체의 금속성 때문에 번개가 치더라도 바로 방전이 된다고 한다.

9. 전자레인지의 원리

전열기는 주울열을 이용한 것이지만, 조리기구 중에는 그보다도 고도의 열을 내는 것이 있습니다. 전파로 식품을 데우는 마이크로?웨이브?오븐, 흔히 전자레인지라고 부르는 것이 그것입니다. 전열기나 가스 등은 식품을 외부에서 가열하지만 전자레인지는 식품 전체가 전파의 에너지를 직접 받아 일률적으로 가열됩니다. 여기에서 사용되는 전파는 마이크로웨이브로 레이더나 전화의 중계 등에 사용되는 전파와 같은 것입니다. 전자레인지에서는 주파수가 2,450MHZ, 파장은 약 12Cm의 전파가 사용됩니다. 식품이 마이크로웨이브로 가열되는 이유는 무엇일까요? 식품은 전분이나 단백질 등의 생물체의 구성물질로 되어 있습니다. 이들의 물질은 전기적으로는 유전체 즉 절연체입니다. 따라서 두 장의 전극 사이에 유도체를 삽입하고 여기에 직류전류를 가해 전극 사이에 전계를 만들면 유전체의 분자는 양과 음의 전하를 가진 전기쌍극자가 됩니다. 여기에서 전압의 극성을 바꾸어 전계의 방향을 반대로 하면 전기쌍극자의 방향도 바뀌어집니다. 따라서 전극간에 매우 빠른 속도로 그 방향이 변화하는 전계(고주로 되어 있는 유도체의 파 전계)를 가하면 쌍극자분자도 같은 속도로 반전하게 됩니다. 이 때문에 분자와 분자 사이에 마찰열이 일어나서 가열되는 것이지요. 즉, 전파란 전계와 자계가 주기적으로 변화하는 것입니다. 마이크로웨이브가 식품에 쪼여지면 마이크로웨이브의 진동전계에 의해 식품 속의 분자가 1초간에 24억 5천만 회나 진동하여 마찰열이 발생하게 되는 것입니다.

10. 아인슈타인은 학생 시절에 우등생이었을까?  

우리 나라 사람들에게 과학의 천재를 말해 보라고 하면, 아마도 가장 먼저 떠올리는 사람은 아인슈타인이 아닐까 싶습니다. 이는 우리 나라 사람들이 결코 쉽지 않은 그의 이론을 이해해서라거나, 그가 말년에 가졌던 사상적 측면을 공감해서도 아닐 것입니다. 단지 다른 과학자들 보다 그에 대한 에피소드들이 우리들 귀에 많이 들려왔고, 그의 이론들이 기존의 이론들을 완전히 뒤엎을 만한 위대한 것이라는 막연한 동경심 때문이리라 생각됩니다. 그렇다면 그토록 천재성을 인정받은 대과학자 아인슈타인의 어린 시절은 어떠했을까요? 그에 대한 전기를 읽어보지 않은 사람은 자세히 알 수 없는 몇 가지 어린 시절의 에피소드들에 대해 이야기하고 함께 생각해보려 합니다.

아인슈타인은 1879년 3월 14일 남부 독일 울름에서 태어났습니다. 그는 태어나면서부터 가족들에게 지속적인 걱정꺼리를 안겨 주곤 했는데, 그 첫째가 지나치게 머리가 커서 기형아가 아닐까 하는 점이었습니다. 그의 뒷머리가 들어갈 즈음에는 지나치게 살이 찌기 시작했고, 거의 말을 하지 않고 혼자 놀기만 해서 벙어리가 아닐까 하는 걱정을 하게 하였습니다. 2년 6개월이 지나자 거의 정상은 되었으나, 자신이 말한 내용을 몇 번이고 되풀이하는 습관을 7살까지 지니고 살았다고 합니다. 게다가 그는 다분히 신경질적이어서 여동생을 다치게 하는 등 여러 가지 사고를 치기도 했었습니다. 그러한 그를 가르쳤던 교사들의 평가는 한결같이 나쁘기만 하였습니다. 그가 공립학교에 들어갔을 때도 구구단을 외우지 못했고, 반사 신경이 너무 둔하여 늘 엄한 교사로부터 손바닥을 맞아야만 했습니다. 계산하는 시간이 많이 걸리는 편이었고 그나마 틀린 답을 내놓기 일쑤였습니다. 아무도 그가 수학적 재능이 있다고 생각하지 않았습니다. 9살에 그는 뉴욕의 AYDANS 루이트포르트 김나지움에 진학했는데 그 학교는 인문주의 교육을 주로 하는 학교였기 때문에 언어 기억력이 부족한 그에게는 큰 고통거리였습니다. 라틴어는 "양", 그리스어는 "가"를 받는 일이 비일비재했습니다. 급기야는 그를 담당한 그리어 교사가 "너는 제구실을 해 낼 인물은 못 될 것 같다."는 예언을 하게 만들었습니다. 뒤에 그는 결국 학교를 중퇴하고 마는데 7학년 때 만났던 그리스어 교사의 퇴학 권고 사유는 "너의 존재가 내 학급에 대한 존경심을 잃게 한다."는 것이었습니다. 이러한 교사의 혹평에도 불구하고 아인슈타인은 뒷날 모든 사람들이 존경해 마지않는 천재 과학자가 되었던 것입니다. 우리 모두가 한 번쯤은 생각해 볼만한 이야기지요.