소소하지만 과학이야

찬 바람이 부는 날, 주머니 속 핫팩을 꺼내 쥐면 손끝이 사르르 녹습니다. 그런데 이상하죠. 배터리도 없고 전기도 안 꽂았는데, 포장을 뜯어 흔들기만 했는데 어떻게 몇 시간씩 따뜻할 수 있을까요? 한 줄 정답: 핫팩 속 철가루가 공기 중 산소와 만나 아주 빠르게 녹스는 반응 을 하고, 이때 나오는 열이 우리 손을 데워 줍니다. 핫팩 속에는 뭐가 들어 있을까? 일회용 핫팩을 뜯어 보면 검은 가루가 들어 있는데, 주성분은 다음과 같습니다. 철가루: 열을 내는 주인공이에요. 물과 소금: 반응을 빠르게 도와주는 역할을 합니다. 활성탄(숯처럼 아주 작은 구멍이 많은 물질): 공기와 물기를 머금어 반응이 고르게 일어나게 해요. 질석 같은 보온 재료: 열이 한꺼번에 빠져나가지 않도록 붙잡아 줍니다. 제품마다 배합은 조금씩 다르지만, 핵심은 철가루입니다. 철이 녹스는 게 열을 낸다고? 철로 만든 자전거나 못이 오래되면 붉게 녹이 슬죠. 녹은 철이 공기 속 산소 와 물을 만나 천천히 변하는 현상입니다. 이런 반응을 산화(물질이 산소와 결합하는 반응) 라고 해요. 산화가 일어날 때는 열이 나옵니다. 다만 쇠못은 몇 년에 걸쳐 아주 천천히 녹슬기 때문에 열이 나도 느끼지 못해요. 핫팩은 이 과정을 엄청나게 빠르게 만든 장치입니다. 비유하자면 장작을 통째로 태우면 오래 천천히 타지만, 가늘게 쪼갠 불쏘시개는 순식간에 타오르는 것과 비슷해요. 철을 가루로 곱게 만들면 산소와 닿는 면적이 어마어마하게 넓어져서 반응이 빨라지고, 열이 한꺼번에 나옵니다. 여기에 소금과 물이 반응 속도를 더 높여 줍니다. 포장을 뜯어서 흔들어야 하는 이유 핫팩은 바깥 비닐 포장이 산소를 막고 있습니다. 포장을 뜯는 순간부터 공기가 들어가기 시작하고, 속 주머니의 작은 구멍을 통해 산소가 철가루에 닿으면서 반응이 시작돼요. 그래서 포장을 뜯기 전에는 따뜻하지 않아요. 흔들어 주면 가루가 뭉치지 않고 고르게 섞여서 산소와 더 잘 닿습니다. 다만 흔드는...

추운 겨울 아침, 일어나 보면 창문이 뿌옇게 흐려져 있습니다. 손가락으로 "안녕"이라고 쓰면 글자가 그대로 남죠. 그런데 한여름에는 에어컨을 켠 방의 창문이 바깥쪽부터 뿌옇게 변하기도 해요. 같은 김서림인데 어떤 때는 안쪽, 어떤 때는 바깥쪽에 생기는 이유는 뭘까요? 한 줄 정답: 김서림은 따뜻하고 촉촉한 공기가 차가운 유리를 만나 작은 물방울이 된 것 입니다. 그래서 따뜻하고 습한 공기가 닿는 쪽 면에 생겨요. 김서림의 정체: 유리에 맺힌 작은 물방울 공기 속에는 눈에 보이지 않는 수증기(물이 기체가 된 것)가 들어 있습니다. 그런데 공기가 품을 수 있는 수증기의 양은 정해져 있고, 따뜻한 공기는 많이, 차가운 공기는 조금 만 품을 수 있어요. 공기를 수증기를 담는 가방에 비유하면, 따뜻하면 가방이 커지고 차가우면 쪼그라드는 셈입니다. 따뜻하고 촉촉한 공기가 차가운 유리에 닿으면 유리 바로 옆의 공기가 식으면서 가방이 작아집니다. 담지 못하게 된 수증기는 유리 표면에서 물방울로 바뀌어요. 이 현상을 결로(이슬이 맺히는 현상) 라고 합니다. 이 물방울은 매우 작고 수가 많아서 빛을 사방으로 흩뜨리고, 그래서 유리가 뿌옇게 보입니다. 큰 물방울이 아니라 아주 작은 알갱이들이 모여 있기 때문에 투명하지 않은 거예요. 입김이 하얗게 보이는 것과 원리가 같습니다. 입김은 공기 중에 떠 있는 물방울이고, 김서림은 유리 표면에 붙은 물방울이라는 점만 달라요. 겨울에는 안쪽, 여름에는 바깥쪽인 이유 핵심은 "유리의 어느 쪽 공기가 더 따뜻하고 습한가" 입니다. 겨울: 방 안쪽에 김이 서린다 바깥은 춥고 건조하지만, 방 안은 따뜻하고 사람 숨, 요리, 빨래, 샤워 등으로 습기가 많습니다. 바깥 공기에 가까운 유리는 차가워져 있어서, 실내의 따뜻하고 습한 공기가 닿으면 안쪽 면에 물방울이 맺혀요. 여름: 에어컨 켠 방은 바깥쪽에 김이 서린다 에어컨을 켜면 방 안의 유리가 시원해집니다. 이때 바깥의 덥고 ...

가을 산이 노랗고 빨갛게 물드는 걸 보면 "누가 나뭇잎에 물감을 칠했나?" 싶죠. 그런데 같은 나무인데 은행잎은 노랗고, 단풍나무 잎은 빨갛고, 어떤 잎은 갈색으로 시들기도 합니다. 나뭇잎은 가을이 되면 어떻게 색을 바꾸는 걸까요? 한 줄 정답: 노란색은 여름 내내 잎 속에 숨어 있다가 초록이 사라지면서 드러나는 색이고, 빨간색은 가을에 잎이 새로 만들어 내는 색소 때문입니다. 여름에 잎이 초록색인 이유 잎이 초록색인 건 엽록소(잎 속에서 햇빛을 받아 양분을 만드는 초록 색소) 덕분입니다. 엽록소는 빛을 받아 영양분을 만드는 '태양광 발전기' 같은 역할을 해요. 여름에는 엽록소가 아주 많아서, 잎 속에 다른 색소가 있어도 초록에 가려 보이지 않습니다. 노란 단풍: 숨어 있던 색이 나타난다 가을이 되어 낮이 짧아지고 기온이 내려가면, 나무는 겨울 준비를 시작합니다. 잎에서 양분 만들기를 멈추고 엽록소를 분해해서 줄기와 뿌리로 아끼며 옮겨 가요. 초록이 점점 옅어지면 그동안 가려져 있던 카로티노이드(당근이나 호박의 주황·노랑을 내는 색소) 가 드러납니다. 비유하자면 초록색 도화지 아래에 노란 그림이 숨어 있었는데, 초록 도화지를 걷어내자 그림이 나타나는 거예요. 은행나무나 자작나무 잎이 노랗게 변하는 것이 대표적인 예입니다. 노란색은 새로 만든 게 아니라 원래 있던 색이에요. 빨간 단풍: 가을에 새로 만든 색 빨간 단풍은 사정이 다릅니다. 단풍나무 같은 나무는 가을에 잎 속에서 안토시아닌 이라는 붉은 색소를 새로 만들어요. 안토시아닌은 블루베리나 적양배추의 보라·붉은색을 내는 색소와 같은 종류입니다. 이 색소는 잎에 남은 당분(설탕 같은 양분)으로 만들어집니다. 그래서 날씨가 중요해요. 맑은 낮: 햇빛을 받아 양분(당분)이 충분히 만들어집니다. 쌀쌀한 밤: 기온이 내려가면 잎에서 줄기로 가는 길이 좁아져서, 당분이 잎에 갇혀 쌓입니다. 낮에는 맑고 밤에는 서늘하되 얼지는 않는 날씨...

추운 아침, 등굣길이나 출근길에 "하~" 하고 숨을 내쉬면 하얀 김이 모락모락 올라옵니다. 손을 호호 불며 "나 용 됐다!" 하고 장난쳐 본 적도 있을 거예요. 그런데 같은 숨을 여름에 내쉬면 아무것도 안 보입니다. 숨은 똑같은데 왜 겨울에만 보일까요? 한 줄 정답: 입김은 연기도 가스도 아닌, 날숨 속 수증기가 찬 공기를 만나 만들어진 아주 작은 물방울 입니다. 우리 눈에 보이는 건 수증기가 아니라 이 물방울이에요. 입김의 정체: 수증기가 아니라 물방울 우리 몸속은 따뜻하고 촉촉합니다. 폐와 기도의 표면은 늘 젖어 있어서, 숨이 몸 밖으로 나올 때쯤이면 공기가 체온(약 35~37도)에 가깝게 데워지고 수증기를 가득 머금은 상태가 됩니다. 우리가 내쉰 숨은 사실 '따뜻하고 눅눅한 공기'인 셈이에요. 여기서 헷갈리기 쉬운 점이 있습니다. 수증기(물이 기체가 된 것)는 눈에 보이지 않습니다. 주전자에서 나오는 하얀 김도 주전자 입구 바로 위에서는 투명하고, 조금 떨어진 곳에서야 하얗게 보이죠. 그 하얀 것은 수증기가 식으면서 만들어진 물방울입니다. 입김도 똑같아요. 왜 추우면 물방울이 생길까? 공기는 '수증기 가방'이 있다 공기를 수증기를 담는 가방이라고 상상해 보세요. 이 가방은 따뜻할수록 커지고, 차가울수록 작아집니다. 예를 들어 공기 1세제곱미터(m³)가 최대로 품을 수 있는 수증기는 대략 이렇습니다. 35도: 약 40g 20도: 약 17g 0도: 약 5g (수치는 기상학에서 쓰는 포화 수증기량의 대략적인 값이에요.) 35도의 날숨은 가방이 커서 수증기를 가득 담고 나옵니다. 그런데 0도 근처의 찬 공기와 섞이면 가방이 확 쪼그라들어요. 담을 곳이 없어진 수증기는 어디로 갈까요? 서로 뭉쳐서 작은 물방울이 됩니다. 이 과정을 응결(기체가 액체로 변하는 현상) 이라고 합니다. 여름에는 바깥 공기가 따뜻해서 가방이 충분히 큽니다. 날숨의 수증기가 ...

중요한 회의 중에, 조용한 도서관에서, 혹은 소개팅 자리에서 갑자기 "딸꾹!" 소리가 터져 나온 적 있으신가요? 멈추려고 애쓸수록 더 나는 것 같고, 한 번 시작하면 몇 분씩 이어져서 난감하죠. 도대체 딸꾹질은 왜 나는 걸까요? 한 줄로 먼저 답하면 딸꾹질은 숨 쉬는 데 쓰는 근육인 '횡격막'이 갑자기 움찔 수축하고, 바로 그 순간 목 안쪽의 성대 틈(성문)이 탁 닫히면서 공기가 막혀 '딸꾹' 소리가 나는 현상입니다. 딸꾹질이 나는 원리: 횡격막이 보내는 급발진 우리 가슴과 배 사이에는 '횡격막'이라는 넓고 얇은 근육이 있어요. 숨을 들이쉴 때 이 근육이 아래로 내려가며 폐를 부풀리고, 내쉴 때 다시 올라가요. 평소에는 이 움직임이 부드럽고 규칙적이라 우리가 신경 쓰지 않아도 알아서 돌아가요. 그런데 어떤 자극 때문에 횡격막과 그 주변 신경이 '삑사리'를 내면, 횡격막이 갑자기 경련하듯 확 수축해요. 공기가 훅 빨려 들어오려는 순간, 목 안쪽 성대 사이의 문(성문)이 반사적으로 탁 닫혀요. 이 닫힌 문에 공기가 부딪히면서 나는 소리가 바로 "딸꾹"이에요. 수도꼭지가 갑자기 열렸다 잠기는 것과 비슷해요 수도관(기도)에 물(공기)이 확 쏟아져 들어오려는데, 입구 밸브(성문)가 순간적으로 잠기는 모습을 떠올려 보세요. "쿵" 하고 부딪히는 충격이 딸꾹 소리예요. 이 모든 과정은 우리가 의식하지 못하는 사이에 일어나는 반사 작용이라, 마음먹는다고 바로 멈추기 어려워요. 딸꾹질이 잘 나는 상황 급하게 먹거나 과식했을 때 : 위가 갑자기 부풀어 올라 바로 위에 있는 횡격막을 자극해요. 탄산음료나 술을 마셨을 때 : 위장에 가스가 차면서 횡격막을 눌러요. 뜨겁거나 차가운 음식을 갑자기 먹었을 때 : 급격한 온도 변화가 신경을 건드려요. 많이 웃거나 흥분했을 때 : 호흡 리듬이 흐트러지면서 횡격막이 영향을 받아요. 재미있는 건 ...

차에서 내려 문을 닫으려는데 "딱!" 하고 손끝이 따끔했던 경험, 겨울이면 누구나 한 번쯤 있으실 거예요. 엘리베이터 버튼, 현관 문고리, 심지어 반려동물을 쓰다듬다가도 찌릿하죠. 여름엔 거의 없던 일인데, 왜 겨울만 되면 이렇게 자주 따끔할까요? 한 줄로 먼저 답하면 정전기는 여름에도 생기지만, 겨울에는 공기가 건조해서 몸에 쌓인 전기가 빠져나가지 못하고 한꺼번에 모였다가 문고리 같은 금속에 닿는 순간 '딱!' 하고 방전되기 때문입니다. 정전기는 어떻게 생길까요? 모든 물질은 눈에 보이지 않는 아주 작은 전기 알갱이(전자)를 가지고 있어요. 서로 다른 두 물체가 맞닿았다가 떨어지면, 이 전자가 한쪽으로 옮겨가는 일이 생겨요. 풍선을 머리카락에 문지르면 머리카락이 풍선에 달라붙는 것도 같은 원리예요. 한쪽은 전자를 잃어 '플러스'가 되고, 다른 쪽은 전자를 얻어 '마이너스'가 되는 거죠. 겨울에는 두꺼운 옷을 껴입고, 자동차 시트나 소파에서 일어나고, 카펫 위를 걷는 일이 많아요. 이럴 때마다 옷과 의자, 신발과 바닥이 서로 문질러지면서 우리 몸에 전기가 조금씩 쌓여요. 이렇게 한곳에 멈춰서 쌓인 전기라서 '정전기(靜電氣, 움직이지 않는 전기)'라고 부릅니다. 겨울에 유독 심한 진짜 이유는 '습도' 핵심은 공기 속 수증기예요. 습한 여름에는 우리 몸과 옷, 물건 표면에 눈에 보이지 않는 얇은 물막이 항상 덮여 있어요. 물은 전기를 어느 정도 통하게 하기 때문에, 몸에 전기가 조금 쌓여도 이 물막을 타고 슬금슬금 공기 중으로 빠져나가요. 마치 욕조에 물을 받는데 배수구가 조금씩 열려 있는 상태와 비슷해요. 그런데 겨울에는 찬 공기가 수증기를 적게 머금고, 난방까지 켜면 실내가 더 건조해져요. 물막이 사라지면 전기가 빠져나갈 길이 막혀서, 배수구를 꽉 막은 욕조처럼 전기가 계속 쌓이기만 해요. 그러다 금속 문고리처럼 전기가 잘 통하는 물체를 만나면, 쌓...