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물속에 담긴 빨대를 옆에서 보면 물 표면을 경계로 꺾여 보인다. 수영장에 들어가면 다리가 실제보다 짧고 굵게 보이고, 바닥은 실제 깊이보다 얕아 보인다. 연못에서 물고기를 손으로 잡으려 하면 보이는 위치를 향해 손을 뻗어도 번번이 놓친다. 놀라운 사실은 물속의 물고기가 눈에 보이는 그 위치에 실제로 존재하지 않는다는 것이다. 눈은 분명히 물고기를 보고 있지만, 그 물고기는 실제로 더 깊고 다른 각도에 있다.눈이 거짓말을 하는 것이 아니다. 빛이 물과 공기를 오가면서 방향을 바꾸기 때문에, 물속에서 나온 빛이 우리 눈에 도달하는 경로가 직선이 아닌 것이다. 우리 뇌는 빛이 항상 직선으로 온다고 가정하고 물체의 위치를 추정하기 때문에, 굴절된 경로를 역추적하면 엉뚱한 위치에 물체가 있다는 결론을 내린다. 1..

빗방울은 왜 항상 동그랄까. 연잎 위에 맺힌 이슬은 왜 납작하게 퍼지지 않고 구슬처럼 또르르 굴러다닐까. 물을 컵에 따르면 컵 모양을 따르는데, 공중에서 자유롭게 떨어지는 물은 어디서 그 동그란 형태를 만드는 것일까. 일상에서 수없이 보아온 장면이지만, 막상 "왜 동그랗지?"라는 질문을 받으면 선뜻 답이 떠오르지 않는다.답은 물 분자들이 서로 당기는 힘, 즉 표면장력에 있다. 표면장력은 액체의 표면이 가능한 한 작아지려는 성질이다. 그리고 같은 부피를 담으면서 표면적이 가장 작은 형태는 수학적으로 단 하나, 구(球)다. 물방울이 동그란 것은 우연이 아니라 에너지를 최소화하려는 물리법칙의 필연적 결과다. 이 글에서는 물 분자의 특성에서 출발해, 표면장력이 어떤 원리로 둥근 형태를 만들어내는지를 단계별로 설..

겨울 등산 중 손이 너무 시려워 두 손바닥을 맞대고 빠르게 비볐던 기억이 있다. 몇 초도 지나지 않아 손이 따뜻해졌다. 열을 공급한 것도, 불을 피운 것도 아닌데 손에서 열이 생겨났다. 어린 시절에는 당연한 일로 여겼지만, 돌아보면 이 단순한 동작 안에 에너지 변환의 핵심 원리가 압축되어 있다. 운동이 열로 바뀌는 것이다.성냥을 갑 옆면에 그을 때도 마찬가지다. 빠르게 긁는 순간 불꽃이 일어난다. 마찰이 화학 반응을 일으킬 만큼의 열을 순간적으로 만들어낸 것이다. 자동차 브레이크를 강하게 밟으면 타이어와 노면 사이에서, 혹은 브레이크 패드와 디스크 사이에서 뜨거운 열이 발생한다. 운석이 대기권을 뚫고 들어올 때 표면이 수천 도로 달궈지는 것도 같은 원리다. 마찰이 일어나는 곳에는 반드시 열이 따라온다. ..

차가운 공기는 소리를 막는다고 생각하기 쉽다. 두꺼운 옷을 입어야 할 만큼 추운 날, 소리도 함께 움츠러들 것 같은 느낌이 드는 것은 자연스럽다. 그러나 실제로는 반대다. 겨울 새벽, 인적이 드문 시간에 멀리서 나는 기차 소리나 강 건너편의 대화 소리가 유독 선명하게 들려온다면, 그것은 착각이 아니다. 차가운 공기가 소리를 더 멀리, 더 선명하게 전달하는 조건을 만들고 있는 것이다.많은 사람들이 소리가 멀리 전달되는 데 유리한 조건으로 따뜻하고 습한 날씨를 떠올린다. 여름날 공기가 활기차게 진동하면 소리도 잘 퍼질 것 같다는 직관이다. 그러나 소리의 전달 거리를 결정하는 것은 공기의 온도 자체가 아니라, 공기 층별로 형성되는 온도 기울기다. 이 기울기가 소리의 방향을 위로 꺾어 올리느냐, 아래로 꺾어 내..

일반 소다석회 유리의 열팽창 계수는 약 9×10⁻⁶/°C다. 1°C 온도가 오를 때마다 유리 1m당 0.009mm씩 늘어난다는 뜻이다. 숫자만 보면 극히 미미한 변화처럼 느껴진다. 그런데 냉장고에서 꺼낸 유리컵(약 5°C)에 끓는 물(100°C)을 부으면 안쪽과 바깥쪽의 온도 차이가 순식간에 80~90°C 이상 벌어진다. 유리 안쪽은 즉시 팽창하려 하고, 열이 미처 전달되지 않은 바깥쪽은 그대로다. 이 짧은 순간의 온도 차이가 유리를 깨뜨린다.유리가 깨지는 원인을 "뜨거운 물 때문"이라고 단순하게 생각하기 쉽지만, 정확하게는 온도 차이가 만드는 내부 응력 때문이다. 유리 전체가 균일하게 뜨거워지면 팽창은 일어나도 균열은 생기지 않는다. 안쪽과 바깥쪽이 서로 다른 속도로 팽창하려 할 때, 그 충돌이 균열로..

전자레인지가 음식을 방사선으로 가열한다거나, 음식이 안에서부터 익기 때문에 영양소가 더 많이 파괴된다는 말이 퍼져 있다. 둘 다 틀렸다. 전자레인지가 사용하는 마이크로파는 방사선이 아니다. X선이나 감마선과 달리 마이크로파는 원자 구조를 바꾸거나 이온화시키는 에너지가 없다. 단지 분자를 진동시킬 뿐이다. 영양소 파괴 측면에서도 전자레인지는 오히려 유리한 편이다. 가열 시간이 짧아 열에 민감한 수용성 비타민 손실이 삶거나 끓이는 방식보다 적다는 연구 결과가 여러 차례 나왔다. 전자레인지를 둘러싼 오해는 원리를 모르는 데서 비롯된다. 1. 마이크로파가 무엇인지부터 — 전자기파 스펙트럼에서의 위치마이크로파(Microwave)는 전자기파의 한 종류다. 가시광선, 적외선, 자외선, X선이 모두 전자기파인 것처럼..

물과 기름이 섞이지 않는 이유를 물어보면 대부분 "밀도가 달라서"라고 답한다. 틀린 말은 아닌데, 그건 원인이 아니라 결과다. 밀도가 비슷한 기름도 물과는 분리되고, 알코올처럼 물보다 가벼운 액체는 물과 완전히 섞인다. 밀도로는 설명이 안 된다. 진짜 이유는 분자 하나하나의 전기적 성질에 있다. 물 분자와 기름 분자는 서로를 밀어내는 게 아니다. 각자 자기 무리끼리만 뭉치려는 성질이 너무 강해서 상대방이 비집고 들어올 틈을 만들지 않는 것이다. 1. 물 분자가 특별한 이유 — 전하가 치우쳐 있다물 분자(H₂O)는 산소 원자 하나에 수소 원자 두 개가 104.5°의 각도로 붙어 있는 굽은 형태다. 이 모양 때문에 산소 쪽이 약한 음전하를, 수소 쪽이 약한 양전하를 띤다. 전하가 한쪽으로 치우친 극성 분자가..

두꺼운 콘크리트 벽이 소리를 완전히 막아줄 것 같지만, 옆집 베이스 소리나 아랫집 쿵쿵거리는 소리는 어김없이 들린다. 반면 목소리나 TV 소리는 같은 벽에서 훨씬 잘 막힌다. 벽이 두꺼울수록 방음이 잘 된다는 건 맞는 말이지만, 그게 전부가 아니다. 소리가 벽을 통과하는 능력은 벽의 두께만큼이나 소리의 주파수에 달려 있다. 낮은 주파수의 소리는 두꺼운 콘크리트 벽도 비교적 쉽게 통과하고, 높은 주파수의 소리는 얇은 벽에서도 잘 막힌다. 벽을 두껍게 만드는 것이 방음의 전부가 아닌 이유가 여기 있다. 1. 소리가 벽에 부딪힐 때 일어나는 일 — 반사, 흡수, 투과의 분배소리가 벽에 닿으면 세 가지 일이 동시에 일어난다. 일부는 반사되고, 일부는 벽 재료에 흡수되어 열로 변환되고, 나머지는 벽을 통과해 반대..

압력솥으로 찐 고기가 일반 냄비로 끓인 것보다 훨씬 부드러운 경험, 한 번쯤 있을 것이다. 시간은 짧은데 결과는 오히려 더 좋다. 뚜껑을 열 때 나오는 뜨거운 증기를 보면서 왜 더 잘 익는 걸까 싶은 것도 자연스럽다. 비밀은 물이 끓는 온도가 고정값이 아니라는 데 있다. "물은 100℃에서 끓는다"는 말은 해수면 1기압이라는 조건이 붙은 이야기다. 압력이 바뀌면 끓는점도 바뀐다. 압력솥은 이 단순한 원리를 조리에 활용한 도구다. 1. 끓는점은 고정값이 아니다 — 기압이 결정한다물이 끓는다는 건 액체 상태의 물 분자들이 기체로 변하는 현상이다. 이 전환이 일어나려면 물 분자들이 주변 공기의 압력을 이겨낼 만큼 충분한 에너지를 받아야 한다. 공기가 수면을 누르는 힘이 강할수록 물 분자들은 더 높은 에너지를 ..

거울은 좌우를 바꾸지 않는다[ 도입 방식: 선택 딜레마형 ]거울 앞에 서서 오른손을 들면 거울 속 나는 왼손을 든다. 이걸 보고 "거울이 좌우를 바꾼다"고 생각하면 자연스럽다. 그런데 같은 거울이 왜 상하는 바꾸지 않는가. 오른손을 들면 거울 속에서도 위쪽 손이 올라가지, 아래쪽 손이 올라가지 않는다. 좌우는 바꾸면서 상하는 바꾸지 않는다는 게 이상하지 않은가. 거울이 정말 좌우를 바꾼다면 상하도 바꿔야 논리가 맞다. 실제로 거울은 좌우도 상하도 바꾸지 않는다. 거울이 바꾸는 건 앞과 뒤다. 우리가 좌우로 느끼는 건 거울의 특성이 아니라, 우리가 거울 속 상을 해석하는 방식의 문제다. 1. 거울이 실제로 하는 일 — 앞뒤를 뒤집는다거울은 빛을 반사한다. 거울 표면에 수직으로 들어온 빛은 수직으로 반사되고..