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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..

향수를 뿌린 사람이 방을 나간 뒤에도 한참 동안 그 향기가 공기 중에 남아 있습니다. 창문도 닫혀 있고, 선풍기도 없는데 향기는 어느새 방 구석까지 도달해 있습니다. 손도 대지 않았고, 바람도 없었는데 냄새는 스스로 이동한 것처럼 보입니다. 이 현상의 정체는 무엇일까요. 많은 분들이 "기체니까 퍼지는 것 아닌가"라고 생각하지만, 실제로 향 분자가 방 전체에 닿기까지의 과정에는 분자물리학의 핵심 원리가 담겨 있습니다. 그 과정을 향 분자가 뿌려지는 순간부터 코끝에 닿는 순간까지 따라가 보겠습니다.1. 향 분자는 어떻게 스스로 이동하는가 – 확산과 브라운 운동향수를 공기 중에 뿌리면 액체 상태의 향 분자가 기화되어 기체 상태로 퍼져 나갑니다. 이때 향 분자를 이동시키는 힘은 바람이 아닙니다. 분자 자체의 열..

초등학교 과학 시간, 종이 화산 모형 안에 베이킹소다를 넣고 식초를 부었을 때의 기억이 납니다. 하얀 거품이 폭발하듯 솟구쳐 올라오던 그 장면은 지금도 선명합니다. 그 뒤로 싱크대 막힘을 뚫는다며 베이킹소다에 식초를 붓는 장면을 여러 번 봤고, 냉장고 냄새를 잡는다며 베이킹소다를 넣어두기도 했습니다. 그런데 막상 "왜 거품이 나느냐"고 물으면 명쾌하게 답하기 어렵습니다. 단순히 섞였기 때문이 아닙니다. 그 거품 안에는 산과 염기가 만났을 때 일어나는 화학 반응이 정확하게 담겨 있습니다.1. 거품의 정체 – 산과 염기가 만나는 순간베이킹소다의 정식 화학명은 탄산수소나트륨(NaHCO₃)입니다. 물에 녹으면 약한 염기성을 띱니다. 식초의 주성분은 아세트산(CH₃COOH)으로, 물에 녹아 수소 이온(H⁺)을 내..

여름 장마철에 밥을 상온에 놔두면 반나절 만에 쉬어버립니다. 같은 밥을 냉장고에 넣으면 사흘이 지나도 멀쩡합니다. 냉장고는 단지 음식을 시원하게 만드는 기계인데, 어떻게 상하는 속도를 이토록 극적으로 늦출 수 있을까요? 혹시 냉기가 세균을 죽이는 걸까요, 아니면 다른 원리가 작동하는 걸까요? 냉장고가 음식을 지키는 방법은 생각보다 훨씬 정교하고, 동시에 냉장고에도 분명한 한계가 있습니다.1. 음식이 상하는 진짜 이유 – 미생물과 효소음식이 상하는 원인은 크게 두 가지입니다. 하나는 세균·곰팡이·효모 같은 **미생물(Microorganism)**의 증식이고, 다른 하나는 식품 자체에 들어 있는 효소의 작용입니다.미생물은 식품의 단백질·탄수화물·지방을 분해하며 살아갑니다. 그 과정에서 악취 물질, 독소, 이..

빗속에서 우산을 접으면 끝에 물방울이 또르르 맺혀 떨어집니다. 연잎 위에 빗물이 고이면 유리구슬처럼 통통 굴러다닙니다. 수도꼭지에서 물이 한 방울 떨어지는 순간을 천천히 들여다보면, 그 짧은 순간에도 물이 둥글게 모이는 것을 볼 수 있습니다. 물방울은 언제나, 어디서나 동그랗습니다. 워낙 익숙한 장면이라 당연하게 여기기 쉽지만 생각해보면 이상합니다. 물은 담는 그릇에 따라 형태가 바뀌는 액체인데, 왜 혼자 있을 때는 꼭 구형을 고집할까요. 그 이유는 분자 수준에서 벌어지는 에너지 싸움에 있습니다.1. 표면장력 – 물 분자의 불균형한 인력물(H₂O)은 분자끼리 수소 결합이라는 강한 인력을 형성합니다. 물 속 깊은 곳에 있는 분자는 사방팔방의 이웃 분자들에게 균일하게 당겨지므로 힘이 상쇄되어 평형 상태를 유..