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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..

고무줄을 당기면 분자가 쭉 펼쳐지고, 놓으면 다시 오므라든다. 여기까지는 직관적으로 납득이 됩니다. 그런데 고무가 원래 상태로 돌아오는 힘, 즉 탄성의 원천이 무엇인지 물으면 이야기가 예상과 다른 방향으로 흐릅니다.금속 스프링은 원자 사이의 결합력이 늘어나거나 압축되면서 탄성이 생깁니다. 에너지를 저장했다가 돌려주는 방식입니다. 그런데 고무의 탄성은 에너지가 아니라 **엔트로피(entropy)**에서 비롯됩니다. 무질서도가 높아지려는 자연의 성질이 고무를 원래 상태로 밀어 되돌리는 힘입니다. 고무에 열을 가하면 더 잘 수축하는 이유, 금속 스프링은 가열하면 늘어지는데 고무는 반대 방향으로 반응하는 이유도 모두 여기서 출발합니다.1. 고무 분자는 어떻게 생겼는가 — 폴리머 사슬의 구조천연고무의 주성분은 폴..

콜라 캔을 따는 순간, 치익 하는 소리와 함께 작은 기포들이 물속에서 솟구쳐 올라옵니다. 흔들지도 않았고, 온도가 변한 것도 아닌데 왜 뚜껑을 여는 순간 갑자기 기포가 생기는 걸까요? 음료가 이미 거품 없이 잠잠하게 캔 안에 담겨 있었는데, 뚜껑을 따는 그 찰나에 무슨 일이 벌어지는 걸까요?더 흥미로운 질문도 있습니다. 캔 안의 이산화탄소는 사라진 게 아닙니다. 음료 속에 녹아 있던 것이 그대로입니다. 그런데 뚜껑 하나가 열렸을 뿐인데 왜 갑자기 기체 상태로 튀어나오려 할까요. 답은 기체의 용해도와 압력의 관계, 그리고 기포가 생겨나는 지점의 미세한 구조에 있습니다.1. 기체는 압력이 높을수록 더 많이 녹는다 — 헨리의 법칙탄산음료를 만들 때 이산화탄소(CO₂)는 높은 압력 아래에서 음료에 강제로 녹아 ..

빛의 속도는 초속 약 30만 km, 소리의 속도는 초속 약 340m입니다. 이 두 숫자의 차이가 약 88만 배입니다. 번개와 천둥이 동시에 같은 장소에서 발생하는데도 우리가 시간 차를 느끼는 이유는 전적으로 이 속도 차이 때문입니다. 3km 떨어진 곳에서 번개가 쳤다면, 빛은 0.00001초 만에 도달하지만 소리는 약 9초 뒤에야 귀에 닿습니다.이 간격을 이용하면 번개가 얼마나 떨어져 있는지 직접 계산할 수 있습니다. 번쩍이는 순간부터 천둥소리가 들릴 때까지의 초 수를 세고 3으로 나누면 km 단위 거리가 나옵니다. 어릴 때 한 번쯤 해봤을 이 방법에는 빛과 소리의 전파 원리가 고스란히 담겨 있습니다.1. 빛과 소리 — 전달 방식 자체가 다르다빛과 소리의 속도가 다른 이유를 이해하려면 두 현상이 어떤 방..

얼음이 물보다 부피가 크다는 사실은 많이 알려져 있다. 그런데 그 이유를 물어보면 "얼면서 팽창하기 때문"이라거나 "고체가 액체보다 분자 간 거리가 멀어서"라는 답이 자주 나온다. 두 설명 모두 현상을 거꾸로 이해한 것이다. 대부분의 물질은 고체 상태일 때 분자들이 더 촘촘하게 배열되어 부피가 줄어든다. 철, 구리, 에탄올 — 이것들은 모두 액체보다 고체가 더 작다. 물은 이 원칙의 예외이며, 그 예외를 만드는 것은 물 분자만이 가진 특별한 결합 방식이다. 단순히 "얼기 때문에 커진다"는 설명은 현상을 기술할 뿐, 원인을 설명하지 못한다. 1. 물 분자가 특별한 이유 — 수소결합의 방향성물 분자(H₂O)는 산소 원자 하나에 수소 원자 두 개가 104.5°의 각도로 붙어 있는 굽은 형태다. 이 구조 때문에..

같은 방 안에 있는 금속 손잡이와 나무 탁자를 동시에 만져보면 금속이 훨씬 차갑게 느껴진다. 온도계로 재보면 두 물체의 표면 온도는 거의 같다. 같은 온도인데 왜 느낌이 다를까. 피부가 잘못 느끼는 걸까, 아니면 두 물체가 실제로 다르게 작용하는 걸까. 후자다. 피부가 틀린 게 아니라 두 물체가 열을 빼앗아 가는 속도가 다른 것이다. 체감 온도는 물체의 실제 온도가 아니라 피부에서 열이 얼마나 빠르게 빠져나가는지를 감지하는 결과다. 금속은 열을 매우 빠르게 전달하기 때문에 피부의 열을 순식간에 흡수하고, 그 빠른 열 손실이 뇌에서 "차갑다"는 신호로 해석된다. 1. 열전도율이란 무엇인가 — 물질마다 열을 전달하는 속도가 다르다열전도율(thermal conductivity)은 물질이 열을 얼마나 빠르게 전..

세계에서 가장 높은 롤러코스터인 미국 식스 플래그스의 '킹다 카(Kingda Ka)'는 첫 번째 정점의 높이가 139m입니다. 45층 건물에 해당하는 높이에서 출발해 불과 3.5초 만에 시속 206km에 도달합니다. 흥미로운 것은 이 거대한 기계에 별도의 엔진이 없다는 점입니다. 킹다 카는 유압 발사 방식으로 초기 속도를 얻은 뒤, 이후 구간은 오직 첫 정점에서 얻은 에너지만으로 달립니다. 왜 롤러코스터는 반드시 처음 언덕이 가장 높아야 할까요. 그 답은 약 350년 전 뉴턴이 정리한 에너지 보존 법칙에 있습니다.1. 높이가 곧 에너지다 – 위치 에너지와 운동 에너지롤러코스터의 물리학은 두 가지 에너지 사이의 변환으로 설명됩니다. 높은 곳에 있는 물체가 가지는 **위치 에너지(Potential Energ..